from pan.pl - Instytucja PAN

Transkrypt

Postepy
˛
nauk
rolniczych
Advances in Agricultural Sciences
3/2010
Polska Akademia Nauk
Wydział Nauk
Rolniczych, Leśnych
i Weterynaryjnych
Kwartalnik
nr 343 rok 62
Rada Redakcyjna
A. Grzywacz (przewodnicz¹cy),
J. Haman, T. Krzymowski, J.J. Lipa
A. Rutkowski, F. Tomczak, M. Truszczyñski, J. Wilkin
Redakcja
A. Horuba³a (redaktor naczelny),
J. Buliñski, A. Gawroñska-Kulesza, W. Józwiak, J. Zimny, T. ¯ebrowska,
R. Suska (sekretarz redakcji)
Adres Redakcji
00-901 Warszawa, Pa³ac Kultury i Nauki, pokój 2102
tel. 22 620 33 71, 22 656 64 66
e-mail: [email protected]
Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego.
Opracowanie redakcyjne, korekta i sk³ad — Danuta Borecka
PL ISSN 0032-5547
Nak³ad 200 egz. Ark. wyd. 11,5. Ark. druk. 9,75.
Sk³ad — DABOR, tel. 600 372 929
Druk — Warszawska Drukarnia Naukowa PAN,
00-656 Warszawa, ul. Œniadeckich 8, tel./faks 22 628 87 77
Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 3–17
Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników
molekularnych w hodowli zbó¿ o zwiêkszonej
tolerancyjnoœci na toksyczne dzia³anie jonów glinu
Agnieszka Fiuk, Andrzej Anio³
Zak³ad Biochemii i Fizjologii Roœlin,
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roœlin,
Radzików 05-870 B³onie
email: [email protected]
S³owa kluczowe: markery molekularne, tolerancja na glin
Wstêp
Presja ekonomiczna wymuszaj¹ca obni¿anie kosztów produkcji w rolnictwie
powoduje coraz powszechniejsze upraszczanie lub wrêcz rezygnacjê ze stosowania
p³odozmianu, co w konsekwencji prowadzi do ponad 70% udzia³u zbó¿ w strukturze
zasiewów. Ponadto wzrost specjalizacji gospodarstw rolnych w produkcji okreœlonych gatunków roœlin ma wp³yw na ograniczenie lub eliminacjê nawo¿enia organicznego oraz zwiêkszenie nawo¿enia mineralnego. Wymienione czynniki stymuluj¹
procesy prowadz¹ce do wzrostu zakwaszenia gleb. W Polsce oko³o 58% gleb ma pH
poni¿ej 5,0. Wraz ze wzrostem zakwaszenia gleby wzrasta rozpuszczalnoœæ kompleksów glinu w wodzie, a co za tym idzie jego toksycznoœæ dla roœlin. Pojawiaj¹ siê
wówczas formy jonowe Al(OH)+2 , Al(OH)2+ i Al3+, które bez przeszkód mog¹ byæ
pobierane przez korzenie. Ograniczenie negatywnych skutków toksycznoœci glinu
poprzez neutralizacjê gleby wapnem gaszonym czy palonym jest rozwi¹zaniem ma³o
efektywnym, gdy¿ ze wzglêdu na nisk¹ ruchliwoœæ Ca(OH)2 oraz CaO w wodzie
po¿¹dane dzia³anie tych zwi¹zków ogranicza siê do warstwy ornej. Nagl¹c¹ staje siê
potrzeba poznania nowych oraz wykorzystania znanych mechanizmów obronnych
szeregu gatunków odpornych na toksyczne dzia³anie jonów glinu celem efektywnego
wytwarzania nowych odmian zbó¿ o zwiêkszonej tolerancyjnoœci.
W niniejszej pracy zostanie omówione dzia³anie glinu na roœliny oraz znane
mechanizmy tolerancyjnoœci na glin. W ramach poszczególnych gatunków roœlin
zbo¿owych przedstawione zostan¹ molekularne aspekty zagadnienia, takie jak: lokalizacja genów tolerancyjnoœci, markery molekularne tych genów oraz ich wykorzystanie
w pracach hodowlanych czy te¿ prace dotycz¹ce modyfikacji roœlin.
4
A. Fiuk, A. Anio³
Wp³yw glinu na wzrost roœlin
oraz mechanizmy jego detoksyfikacji
Najbardziej znacz¹cym symptomem toksycznoœci glinu u roœlin jest zahamowanie wzrostu korzeni, a tak¿e redukcja korzeni bocznych i w³oœników, czego
nastêpstwem jest spadek wielkoœci plonu. Toksyczne dzia³anie glinu polega na
zak³óceniu podzia³ów komórkowych w czapeczce korzeniowej i korzeniach bocznych. Jest to spowodowane podwy¿szeniem zwiêz³oœci œciany komórkowej oraz
usztywnieniem podwójnej helisy DNA prowadz¹cym do zaburzeñ replikacji [22].
Zbo¿a wykazuj¹ zró¿nicowanie pod wzglêdem tolerancyjnoœci na glin. Najwiêksz¹ charakteryzuje siê ¿yto, mniejsz¹ owies, pszen¿yto, pszenica, a najmniejsz¹
jêczmieñ. Tolerancyjnoœæ roœlin na toksyczne dzia³anie glinu jest uwarunkowana
genetycznie. Poznano dwa rodzaje mechanizmów, które chroni¹ roœliny przed toksycznym dzia³aniem tego pierwiastka. Pierwszy polega na neutralizacji kationowych
postaci glinu, zanim zostan¹ one pobrane przez korzenie – mechanizm tolerancji
zewn¹trzkomórkowej, natomiast drugi na unieruchomieniu i detoksykacji glinu
wewn¹trz komórek – tolerancyjnoœæ w³aœciwa.
Podstawow¹ rolê w obu wymienionych mechanizmach pe³ni¹ kwasy organiczne
maj¹ce zdolnoœci chelatowania jonów glinu. Pojawienie siê Al3+ w glebie powoduje
podwy¿szenie stê¿enia kwasów organicznych w cytoplazmie oraz wydzielanie ich na
zewn¹trz komórek i gromadzenie na powierzchni wierzcho³ków wzrostu korzeni.
W zale¿noœci od gatunku w ochronie roœlin uczestnicz¹: szczawiany (Fagopyrum
esculentum, Colocasia esculenta, Spinacia oleracea), jab³czany (Triticum aestivum)
lub cytryniany (Phaseolus vulgaris, Zea mays, Hordeum vulgare, Glycine max).
Niektóre gatunki i odmiany roœlin syntetyzuj¹ jednoczeœnie kwas jab³kowy i cytrynowy (Triticale, Brassica napus, Raphanus sativus, Secale cerale). Inne zwi¹zki chemiczne o podobnych w³aœciwoœciach bior¹ce udzia³ w detoksyfikacji jonów glinu to
polisacharydy, substancje fenolowe oraz œluz. Znana jest tak¿e reakcja unikania stresu
przez roœliny poprzez podwy¿szenie pH rizosfery oraz zwiêkszenie selektywnej
przepuszczalnoœci b³ony komórkowej dla jonów glinu [33].
Testy fizjologiczne
pozwalaj¹ce na ocenê tolerancyjnoœci roœlin na glin
Opracowano szereg testów fizjologicznych pozwalaj¹cych na ocenê tolerancyjnoœci roœlin na glin. Do najpowszechniej stosowanych nale¿¹ te, które opieraj¹ siê na
pomiarach ró¿nic d³ugoœci korzeni przed i po zastosowaniu stresu glinowego [21]
oraz barwieniu korzeni za pomoc¹ substancji wi¹¿¹cych siê z jonami tego pierwiastka
[4, 54]. Najczêœciej stosowanymi barwnikami s¹ hematoksylina [8, 54, 86] i eriochromocyjanina R [4, 40, 80]. Barwniki te pozwalaj¹ na ocenê stopnia tolerancyjnoœci
Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych …
5
na podstawie obecnoœci lub braku zabarwienia wierzcho³ków wzrostu zwi¹zanego
z nagromadzeniem siê glinu (hematoksylina) oraz d³ugoœci odrostu korzeniowego po
okreœlonym czasie od przeniesienia roœlin do pod³o¿a pozbawionego jonów tego
pierwiastka (eriochromocyjanina R). Istnieje równie¿ mo¿liwoœæ oceny tolerancyjnoœci z wykorzystaniem pomiaru fluorescencji chlorofilu bêd¹cej jednym z parametrów wydajnoœci fotosyntezy [51]. Rzadziej stosuje siê analizê UL (ultra-weak
luminescence) [32], redukcjê NBT (nitro blue tetrazolium) [42] oraz pomiar zmian
stosunku œwie¿ej masy korzeni do pêdów [38].
Testy fizjologiczne, mimo ¿e s¹ stosunkowo tanie, maj¹ jednak szereg wad. S¹ one
czêsto pracoch³onne i czasoch³onne. Wiadomo równie¿, ¿e nawet niewielkie zmiany
pH po¿ywki, temperatury, czasu przebywania roœlin w warunkach stresu, stê¿enia
jonów glinu, czy formy w jakiej podawane s¹ mikro- i makroelementy mog¹ w istotny
sposób wp³yn¹æ na wynik testu [80]. Z punktu widzenia hodowcy podstawowym
ograniczeniem testów fizjologicznych jest brak mo¿liwoœci odró¿nienia homozygot
od heterozygot wœród testowanych roœlin bez wyprowadzania kolejnych potomstw,
co znacz¹co wyd³u¿a proces tworzenia nowej odmiany.
Genetyczne mechanizmy tolerancyjnoœci na glin u zbó¿
Poznanie systemu dziedziczenia danej cechy oraz identyfikacja genów za ni¹
odpowiedzialnych decyduj¹ o strategii, jak¹ przyjmuje siê w danym programie
hodowlanym. Wiele cech wa¿nych u¿ytkowo determinowanych jest przez wiêcej ni¿
jeden locus. Efekty poszczególnych loci mog¹ siê sumowaæ powoduj¹c okreœlone
nasilenie cechy [75]. Nie wszystkie geny maj¹ jednakowy wp³yw na ekspresjê cechy
iloœciowej, jednak¿e w wiêkszoœci przypadków mo¿na zidentyfikowaæ jeden lub
kilka genów g³ównych. Znalezienie takich genów jest kluczowym elementem umo¿liwiaj¹cym bezpoœredni¹ selekcjê z pomoc¹ ró¿nego rodzaju markerów molekularnych sprzê¿onych z locus cechy iloœciowej (QTL – Quantitative Trait Loci). Zastosowanie markerów molekularnych w hodowli pozwala na szybk¹ i wiarygodn¹ ocenê
du¿ej liczby osobników pod k¹tem obecnoœci lub braku fragmentu genomu, w którym
mo¿e znajdowaæ siê QTL cechy. Metoda pozwala równie¿ na rozró¿nienie homozygot od heterozygot. Selekcja wsparta markerami molekularnymi (MAS – Marker
Assisted Selection) jest stosowana z powodzeniem dla wielu wa¿nych u¿ytkowo cech
i gatunków, zarówno roœlin jak i zwierz¹t [12, 74].
Lokalizacja genów zwi¹zanych z tolerancyjnoœci¹ na glin u zbó¿
Jêczmieñ. Wœród zbó¿ jêczmieñ jest gatunkiem najbardziej podatnym na uszkodzenia przez wysokie stê¿enie jonów glinu w glebie. Dotychczas wytypowano kilka
odmian wzglêdnie tolerancyjnych, takich jak: ‘Brindabella’, ‘Yambla’ czy ‘Tulla’,
które wykorzystywane s¹ w badaniach dotycz¹cych tej cechy. Uwa¿a siê, ¿e odmiany
szeœciorzêdowe, oplewione i ozime wykazuj¹ wy¿sz¹ tolerancyjnoœæ ni¿ 2 i 4-rzêdo-
6
A. Fiuk, A. Anio³
we, nieoplewione oraz jare [49, 84]. Tolerancyjnoœæ jêczmienia na glin warunkowana
jest jednym genem, który zosta³ zlokalizowany na chromosomie 4HL w regionie
centromeru [50]. Tak¹ sam¹ lokalizacjê chromosomow¹ okreœlono w odrêbnych
badaniach dla czterech loci: Pht [71], Alp [50], Alp3 [57] i Alt [55]. Nie wiadomo
jednak, czy loci te s¹ alleliczne. O jednogenowym uwarunkowaniu tolerancyjnoœci
œwiadczy³y stosunki rozszczepieñ otrzymane w pokoleniach F2 roœlin uzyskanych
w wyniku krzy¿owania odmian tolerancyjnych i podatnych [56, 57, 77, 81]. Wyniki te
zosta³y potwierdzone przez mapowanie za pomoc¹ markerów RFLP (Restriction
Fragments Length Polymorphism) [77], AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) [56] i SSR (Short Sequence Repeats) [55]. Znana jest jednak praca,
w której autorzy identyfikuj¹ kilka QTL zwi¹zanych ze wzrostem roœlin w warunkach
stresu glinowego na chromosomach 3H, 4H, 5H i 6H [60]. Nie zawsze te¿ otrzymywano rozszczepienia zgodne z przyjêtym za³o¿eniem o jednogenowym dziedziczeniu
tej cechy [50].
¯yto. Badania dotycz¹ce tolerancyjnoœci ¿yta na glin prowadzone by³y dotychczas na populacjach mapuj¹cych F2 M39A-1-6 (+) x M77A-1(–) [11, 45, 47, 48] oraz
Ailés (+) × Riodeva (–) lub ich liniach wsobnych [6, 20, 44]. W celu okreœlenia
lokalizacji genów poszukiwanej cechy stosowano pszeniczno-¿ytnie disomiczne linie
addycyjne Chinese Spring-Imperial (CS-I), w których chromosom pszeniczny zast¹piono pojedynczym homologicznym chromosomem ¿ytnim i ditelosomiczne linie
addycyjne, maj¹ce pary telocentrycznych chromosomów pozbawione jednego z ramion [20, 43, 44]. Opisano cztery niezale¿ne loci kontroluj¹ce tolerancyjnoœæ na glin
u ¿yta: Alt1, Alt2, Alt3 i Alt4. Trzy pierwsze zlokalizowano kolejno na chromosomach
6RS, 3R i 4RL [2], natomiast czwarte na chromosomie 7RS [44]. Anio³ [1] uwa¿a, ¿e
dominuj¹c¹ rolê mo¿e pe³niæ gen znajduj¹cy siê na krótkim ramieniu chromosomu
3R, co zosta³o potwierdzone w pracy Ma i in. [39]. Gallego i Benito [25] wskazuj¹ na
istnienie przynajmniej 2 loci na chromosomie 6R powi¹zanych z genem Alt1. Ostatnie
badania sugeruj¹ jednak dominuj¹c¹ rolê genu Alt4 w kontrolowaniu tolerancyjnoœci
na glin u ¿yta [20, 44]
Pszenica. Ze wzglêdu na bardziej z³o¿ony genom pszenica wykazuje du¿e
zró¿nicowanie wewn¹trzgatunkowe jeœli chodzi o tolerancyjnoœæ na glin [28, 54, 59].
Po przetestowaniu za pomoc¹ markerów SSR 57 odmian pszenic pod k¹tem omawianej cechy, otrzymano drzewo genealogiczne wykazuj¹ce wyraŸny podzia³ testowanych materia³ów na cztery grupy: US-Fultz, Polyssu, Mexican i Chinese, w obrêbie
których znalaz³y siê genotypy o wspólnym rodowodzie i pochodzeniu geograficznym
[31]. Na podstawie tego doœwiadczenia stwierdzono, ¿e odmianami nios¹cymi tolerancyjnoœæ na glin u pszenicy s¹ te, które pochodz¹ od ‘Polyssu’ i jej brazylijskich
przodków (np. odmiany ‘BH 1146’ i ‘Atlas 66’).
Próby ustalenia podstaw genetycznych takiego zró¿nicowania da³y sprzeczne
wyniki prawdopodobnie na skutek zastosowania ró¿nych testów fizjologicznych do
oceny roœlin. Niektórzy autorzy proponuj¹ model jednogenowy [36, 67, 85], a inni
7
postuluj¹ istnienie dwóch lub wiêkszej liczby genów warunkuj¹cych omawian¹ cechê
[2, 78]. Analiza linii ditelosomicznych i nullisomiczno-tetrasomicznych pszenicy
‘Chinese Spring’ wykaza³a obecnoœæ kilku loci tolerancyjnoœci, które zosta³y lokalizowane na chromosomach 5AS, 6AL, 7AS, 4BS, 2DL, 3DL, 4DL i 7DL [2, 3].
Badania prowadzone w obrêbie linii bliskoizogenicznych odmiany ‘Atlas66’ tak¿e
wskazuj¹ na obecnoœæ wiêkszej liczby loci powi¹zanych z tolerancyjnoœci¹ na glin
[10, 78]. Rozszczepienia cechy otrzymane w populacjach F2 otrzymanych po skrzy¿owaniu odmiany ‘Atlas66’ z kilkoma odmianami wra¿liwymi œwiadczy³y o wp³ywie
dwóch dominuj¹cych genów [7, 9]. Wielu autorów wskazuje na obecnoœæ allelu
tolerancyjnoœci na chromosomie 3BL [8, 52, 86], jakkolwiek jego ekspresja jest
wyciszana przez gen zlokalizowany na chromosomie 4DL. Trzy QTL zwi¹zane
z tolerancyjnoœci¹ na glin zosta³y zmapowane na chromosomach 4DL, 3BL i 2A, przy
czym dwa pierwsze by³y dominuj¹ce i wykazywa³y efekt addytywny [8]. Dominuj¹c¹
rolê genu zlokalizowanego na chromosomie 4DL w kontrolowaniu tolerancyjnoœci
roœlin na glin potwierdza praca Ramana i in. [61]. Odkryto, ¿e mechanizm dzia³ania
tego genu jest zwi¹zany z wydzielaniem z korzeni anionów jab³czanowych [17, 65].
Ostatnie badania wskazuj¹ równie¿ na istnienie innego wa¿nego mechanizmu tolerancyjnoœci u niektórych odmian pszenicy zwi¹zanego z wydzielaniem cytrynianów
[66]. Sekrecjê cytrynianów aktywowan¹ przez jony Al3+ obserwowano u pszenicy
brazylijskiej odmiany ‘Carazinho’ [72]. Po przetestowaniu ponad dwustu odmian
pszenicy potwierdzono, ¿e odmiana ‘Carazinho’ oraz ‘Maringa’, ‘Toropi’ i ‘Trintecinco’ wykazuj¹ podwy¿szon¹ aktywnoœæ wydzielania cytrynianów w odpowiedzi na
stres glinowy [66]. QTL zwi¹zany z wydzielaniem cytrynianów zmapowano na
chromosomie 4BL.
Pszen¿yto. Heksaploidalne pszen¿yto jest mieszañcem ¿yta i pszenicy z³o¿onym
z dwóch genomów pszenicznych (AABB) i genomu ¿yta (RR). Odpornoœæ pszen¿yta
na toksyczne dzia³anie jonów glinu mo¿e wiêc byæ funkcj¹ wspó³dzia³ania genów
pszenicy i ¿yta wykorzystanych do krzy¿owania [72]. Nale¿y jednak podkreœliæ, ¿e do
genomu pszen¿yta heksaploidalnego nie wchodzi genom D pszenicy, na którym
zidentyfikowano gen g³ówny zwi¹zany z tolerancyjnoœci¹ na glin. Jednak¿e niektóre
odmiany pszenicy s¹ zdolne do podwy¿szonego wydzielania cytrynianów pod wp³ywem dzia³ania jonów Al3+ uwarunkowanego obecnoœci¹ innego genu na chromosomie 4BL. Mo¿na zatem przypuszczaæ, ¿e takie odmiany mog³yby stanowiæ Ÿród³o
tolerancyjnoœci na glin u pszen¿yta. Dotychczasowe badania wskazuj¹ jednak, ¿e
wysoki stopieñ tolerancyjnoœci na glin u heksaploidalnego pszen¿yta dziedziczony
jest g³ównie od ¿yta [39, Fiuk i in. nie publikowane]. Locus zwi¹zany z tolerancyjnoœci¹ na glin u pszen¿yta zidentyfikowano w odmianie ‘Currency’ na chromosomie 3RS [39] oraz u trzech populacji F2 odmiany ‘Bogo’ na chromosomie 7R [Fiuk
i in. nie publikowane]. W przypadku pszen¿yta oktoploidalnego uzyskanego w wyniku krzy¿owania czterech odmian pszenicy i dwóch odmian ¿yta ró¿ni¹cych siê pod
wzglêdem tolerancyjnoœci udowodniono jednak, ¿e wysoki stopieñ tolerancyjnoœci
zwi¹zany jest z obecnoœci¹ genomu pszenicy [72].
8
A. Fiuk, A. Anio³
Owies. Niewiele jest prac dotycz¹cych identyfikacji genów tolerancyjnoœci na
glin u owsa. Gatunek ten nie ma tak du¿ego znaczenia gospodarczego jak pozosta³e
zbo¿a, wykazuje jednak wysok¹ tolerancyjnoœæ na glin. Dotychczas na podstawie
krzy¿owania dziewiêciu heksaploidalnych gatunków owsa stwierdzono, ¿e istnieje
jeden gen odpowiedzialny za tolerancyjnoœæ na glin u tego gatunku [68]. Wagner [79]
wskaza³ na obecnoœæ 1 lub 2 genów tolerancyjnoœci po skrzy¿owaniu trzech heksaploidalnych gatunków owsa, przy czym geny te wykazywa³y efekt epistatyczny.
W innej pracy zidentyfikowano 4 loci cech iloœciowych zwi¹zane z tolerancyjnoœci¹
na glin w populacji wsobnej linii rekombinacyjnej (LAG-211) uzyskanej po krzy¿owaniu linii tolerancyjnej i wra¿liwej Avena strigosa [83].
Geny tolerancyjnoœci na glin u zbó¿ oraz ich markery
Dotychczas poznano ponad 20 genów indukowanych stresem glinowym u ró¿nych gatunków roœlin [19]. Ekspresja wiêkszoœci tych genów mo¿e równie¿ ujawniæ
siê pod wp³ywem szeregu innych czynników, takich jak: stres oksydacyjny, infekcja
patogenów, niedobór fosforu, szok cieplny, czy traktowanie regulatorami wzrostu.
Analiza transkrypcyjna dwóch bliskoizogenicznych linii pszenicy ró¿ni¹cych siê
tolerancyjnoœci¹ na glin (Chisholm-T i Chisholm-S) w warunkach stresu glinowego
wykaza³a podwy¿szon¹ ekspresjê 28 genów u linii tolerancyjnej. By³y to miêdzy
innymi geny koduj¹ce transporter jab³czanowy aktywowany jonami glinu, oksydazê
kwasu ent-kaurenowego, b-glukozydazê, lektynê, kinazê histydynow¹ i karboksylazê
fosfoenolopirogronianu [29]. Stwierdzono, ¿e wartoœæ przyrostu korzeni u roœlin
rosn¹cych w warunkach stresu glinowego oraz sekrecja kwasów organicznych koreluj¹ z tolerancyjnoœci¹ na glin i sugeruj¹, ¿e cecha mo¿e mieæ zarówno jedno- jak
i wielogenowe pod³o¿e [59, 66]. Poznano dwie rodziny genów zwi¹zane z wydzielaniem kwasów organicznych: ALMT (aluminium-activated malate transporter) odpowiedzialne za wydzielanie jab³czanów i MATE (multidrug and toxin efflux), których
ekspresja zwi¹zana jest z wydzielaniem cytrynianów.
Sekwencja genu TaALMT (Triticum aestivum aluminium-activated malate transporter) pszenicy zosta³a okreœlona w 2004 roku [70]. Autorzy wykorzystali cDNA
tolerancyjnej pszenicy ‘ET8’, która charakteryzuje siê obecnoœci¹ pojedynczego locus tolerancyjnoœci Alt1 oraz wra¿liwej ‘ES8’. Wczeœniejsze badania prowadzone na
liniach bliskoizogenicznych tych odmian wskazywa³y na obecnoœæ kana³u anionowego w komórkach korzeni aktywowanego przez Al3+ i wspomagaj¹cego intensywniejszy wyp³yw jab³czanów u roœlin tolerancyjnych [67, 85]. Wysuniêto hipotezê, ¿e
tolerancyjnoœæ jest wynikiem obecnoœci bia³ka kana³owego lub bia³ka kontroluj¹cego
aktywnoœæ tego kana³u [15, 64]. Wyizolowany przez Sasaki i in. [70] fragment cDNA
d³ugoœci 1517 par zasad jest odpowiedzialny za kodowanie bia³ka hydrofobowego
o masie 49,7 kDa sk³adaj¹cego siê z 459 reszt aminokwasowych. Jego budowa jest
charakterystyczna dla bia³ek wchodz¹cych w sk³ad b³on komórkowych. Gen ma dwie
formy alleliczne: ALMT1-1 wystêpuj¹c¹ w linii tolerancyjnej ‘ET8’ i ALMT1-2
9
wystêpuj¹c¹ w linii wra¿liwej ‘ES8’, bêd¹ce wynikiem mutacji punktowych w obrêbie sekwencji czwartego egzonu tego genu. W kolejnych doœwiadczeniach potwierdzono wystêpowanie pierwszej formy allelicznej u roœlin odmiany tolerancyjnej ‘Atlas 66’ oraz drugiej formy u roœlin odmiany wra¿liwej ‘Scout 66’. Jednak¿e odmiana
‘Chinese Spring’, która uwa¿ana jest za umiarkowanie tolerancyjn¹, ma formê
alleliczn¹ ALMT1-2, a poziom ekspresji genu jest poœredni miêdzy ‘ET8’ i ‘ES8’.
Sugeruje to, ¿e tolerancyjnoœæ na glin zapewniana przez ALMT1 u ró¿nych odmian
pszenicy jest zwi¹zana z poziomem ekspresji obu alleli, a nie wynika z ró¿nic
w sekwencji aminokwasów istniej¹cej miedzy nimi. Zosta³o to potwierdzone przez
Ramana i in. [58], którzy testowali kilkanaœcie odmian pszenicy za pomoc¹ markerów
CAPS opracowanych na bazie opisanych polimorfizmów. Zarówno allel 1 jak i 2
pojawia³ siê w odmianach tolerancyjnych. Dostêpnoœæ markerów dla egzonu 4 [70],
intronu 3 [58] i regionu promotora [69] da³a mo¿liwoœæ oceny genetycznych zale¿noœci w obrêbie genu TaALMT1 u ró¿nych genotypów pszenic [59]. Przebadano pod
tym k¹tem 179 odmian powszechnie bêd¹cych w u¿yciu oraz 278 odmian lokalnych
pochodz¹cych z Europy, Œrodkowego Wschodu i Azji w tym 28 Ÿróde³ Triticum
aestivum (ssp. spelta, vavilovii, compactum, macha i sphaerococcum). Potwierdzono,
¿e obecnoœæ alleli ALMT1-1 i ALMT1-2 nie jest œciœle skorelowana z tolerancyjnoœci¹
na glin. Nie obserwowano równie¿ zwi¹zku z tolerancyjnoœci¹ na glin w obrêbie
markerów insercyjno-delecyjnych identyfikuj¹cych obecnoœæ lub brak allelu dla
fragmentu insercyjnego wielkoœci 14bp w intronie 3. U wiêkszoœci odmian
wra¿liwych pojawi³ siê marker SSR wielkoœci 235 bp lub 225 bp, przy czym ten drugi
identyfikowano równie¿ w roœlinach tolerancyjnych. Markery promotorowe LPF
(long promotor fragment) i SPF (short promotor fragment) identyfikowa³y 6 alleli,
podobnie jak wczeœniej opisywa³ Sasaki i in. [69].
¯aden z markerów opisanych przez Ramana i in. [58] stosowany pojedynczo nie
umo¿liwia³ identyfikacji roœlin tolerancyjnych. Na podstawie sygna³ów otrzymanych
po jednoczesnym zastosowaniu czterech typów markerów wytypowano 22 haplotypy
wœród odmian pszenicy. Okreœlono, na jakiej zasadzie dosz³o do wyodrêbnienia
kolejnych haplotypów (w jakich regionach dosz³o do mutacji, np. haplotyp 5 i 17
powsta³ w wyniku rekombinacji miêdzy promotorem i regionem SSR haplotypów 1
i 18 lub odwrotnie). Wyodrêbniono równie¿ siedem typów promotorów. Zaobserwowano, ¿e haplotyp 18 ma promotor typu V, który jest najbardziej powszechny
w odmianach tolerancyjnych (np. brazylijskich ‘Fronteira’i ‘Frontana’). Haplotypy 8,
10, 11, 13, 19 i 20 s¹ charakterystyczne dla odmian tolerancyjnych, ale wystêpuj¹
raczej rzadko. Haplotyp 1 jest za to bardzo powszechny w odmianach uprawnych
wra¿liwych, jakkolwiek maj¹ go równie¿ tolerancyjne odmiany nepalskie.
Zastosowany w innej pracy marker promotorowy Xups4 segregowa³ z locus
tolerancyjnoœci zlokalizowanym na chromosomie 4DL w populacji wsobnych linii
bliskoizogenicznych FSW × ND35 [8].
Powy¿sze badania dotycz¹ markerów zaprojektowanych na bazie znanej sekwencji genu i zwi¹zanych z locus Alt1. Dostêpne s¹ równie¿ markery do wykrywania
10
A. Fiuk, A. Anio³
innych QTL w materia³ach pszenicznych, aczkolwiek ich skutecznoœæ dotyczy tylko
badanych populacji [37, 58, 61]. Cai i in. [8] otrzymali markery Xbarc 164 i Xbarc 344
sprze¿one z QTL zlokalizowanym na chromosomie 3BL oraz markery Xgwm 515
i Xgwm 249 sprzê¿one z QTL na chromosomie 2A.
Za pomoc¹ primerów powielaj¹cych znane fragmenty genu TaALMT1 [70]
sklonowano i zsekwencjonowano gen ¿ytni ScALMT1 [20]. Gen zlokalizowany na
chromosomie 7RS wykazywa³ 86% podobieñstwa sekwencji aminokwasowej do
TaALMT1. Znane s¹ markery RAPD i SCIM (Secale cerale inter-microsatelite) tego
locus tolerancyjnoœci [44]. Wykazano, ¿e marker SCIM811 segreguje w trzech
badanych populacjach F2 ‘Ailes’ × ‘Riodeva’, natomiast markery SCIM812 i OPQ4
w dwóch z nich. Zidentyfikowano równie¿ trzy markery AFLP sprzê¿one z locus Alt3
przy czym dwa z nich znalaz³y siê w odleg³oœci 0,4 i 0,7 cM od genu [48]. Jako marker
kotwicz¹cy wykorzystano BCD1230, który kosegreguje z genem Alt3. Marker ten jest
generowany przez parê primerów zaprojektowan¹ na bazie klonu cDNA pochodz¹cego z jêczmienia. Klon BCD1230 jest czêœci¹ genu epimerazy 5-fosforanu
rybulozy (RPE – ribulose phosphate epimerase) i jak wykazano jest powi¹zany
równie¿ z locus tolerancyjnoœci na glin u jêczmienia i pszenicy [63, 77]. Stwierdzono,
¿e d³ugie ramiona chromosomów 4H, 4D i 4R wykazuj¹ wysoki poziom syntenii, a co
za tym idzie loci tolerancyjnoœci na glin umiejscowione na nich prawdopodobnie s¹
ortologami [46]. Na podstawie podobieñstwa zbo¿owych chromosomów 4 do chromosomu 3 ry¿u skonstruowano mapê regionu chromosomu ¿ytniego zawieraj¹cego
locus tolerancyjnoœci na glin z wykorzystaniem markerów B1 i B4 zaprojektowanych
na bazie ry¿owych klonów BAC (bacterial artificial chromosome) [46]. Markery te
znalaz³y siê w odleg³oœci 0,4 cM od locus Alt3 i z powodzeniem pozwoli³y na
wytypowanie roœlin tolerancyjnych i wra¿liwych w testowanej populacji F2. Aby
wysyciæ fragment chromosomu pomiêdzy B1 i B4 zaprojektowano primery RFLP na
bazie ry¿owego regionu BAC otaczaj¹cego gen RPE [45]. Dwa markery B6 i B11
zmapowano w regionie genu Alt3. Marker B6 zlokalizowano w odleg³oœci 0,05 cM od
tego genu i wraz innym ry¿owym markerem RFLP o nazwie RZ981 bêd¹cym czêœci¹
genu RPE kosegregowa³ z genem Alt3 w populacji F6 ¿ytnich rekombinacyjnych linii
wsobnych. Benito i in. [6] wykorzystali pszeniczno-¿ytnie addycyjne linie ditelosomiczne i ditelocentryczne w celu potwierdzenia lokalizacji markerów B1, B11, B26,
B4 i BCD1230 opisanych w pracach Miftahudina i in. [45, 46, 47, 48]. Markery B1
i BCD1230 zlokalizowano jednak na chromosomie 7RS a nie 4RL. Pozosta³e markery
nie wykaza³y ró¿nicy miêdzy genomem ¿yta i pszenicy, natomiast prawie wszystkie,
z wyj¹tkiem B11, mapowano w testowanej populacji F2. Na podstawie wyników
badañ i danych literaturowych dotycz¹cych homologii chromosomów stwierdzono,
¿e locus Alt3 opisany przez Miftahudina i in. [45] to faktycznie locus Alt4 na
chromosomie 7R [6, 12]. W celu dok³adniejszego wysycenia chromosomu 7R analizowano dodatkowo 16 znanych markerów mikrosatelitarnych przypisanych do tego
chromosomu [6]. Markery REMS 1012, REMS 1018, REMS 1112, SCM 40, SCM 86,
11
SCM 92 i Xgwm269 by³y sprzê¿one z locus Alt4, natomiast REMS 1197 i REMS
1253 pozostawa³y w znacznej odleg³oœci od genu tolerancyjnoœci na glin tworz¹c inn¹
grupê sprzê¿eñ [6]. Badania potwierdzi³y jednak bezpoœredni¹ bliskoœæ markerów B1
i B4 w s¹siedztwie locus Alt4, co mo¿e kwalifikowaæ je jako kandydatów w MAS.
Opracowano równie¿ markery do pozosta³ych znanych genów tolerancyjnoœci na
glin u ¿yta. Gallego i Benito [25] wskazuj¹ na marker RAPD (OPS14705), którego
dystans do genu Alt3 wynosi 23,5 cM. Marker ten przekszta³cony w SCAR (Sequence-Characterised Amplified Region) lokalizowano na d³ugim ramieniu chromosomu
4R [6]. Z genem Alt1 ulokowanym na krótkim ramieniu chromosomu 6R sprzê¿one s¹
dwa markery SCAR: ScR01600 i ScB15790 w odleg³oœci odpowiednio 2,1 i 5,5 cM
[26, 27]. Matos i in. [43] testowali 21 par primerów EST–SSR zaprojektowanych na
podstawie dostêpnych sekwencji cDNA otrzymanych z mRNA izolowanego z korzeni ¿yta odmiany ‘Blanco’ po stresie glinowym. Znaleziono cztery polimorficzne,
kodominuj¹ce markery: SCM8561, SCM 6255, SCM6689, SCM6813, które zosta³y
zlokalizowane kolejno na chromosomach 3R, 4RL, 4R i 5R. Markery SCM6689
i SCM6813 stosowali ju¿ wczeœniej w swych pracach Hackauf i Wehling [30] pod nazwami SCM116 i SCM113. Czternaœcie z testowanych primerów wykazywa³o ponad
55% homologiê do genów o znanych funkcjach w ry¿u, rzodkiewniku i pszenicy.
Dotychczas poznano sekwencje homologicznych genów rodziny ALMT u wielu
innych gatunków roœlin tj. Arabidopsis thaliana, Brassica napus, Oryza sativa, Zea
mays, Medicago truncatula [13].
Kolejna rodzina genów zwi¹zana z tolerancyjnoœci¹ roœlin na glin (MATE)
kontroluje wydzielanie cytrynianów w korzeniach jêczmienia oraz niektórych odmian
pszenicy. Gen HvAACT1 nale¿¹cy do tej rodziny zosta³ zidentyfikowany poprzez
porównanie mikromacierzy wykonanych dla odmiany tolerancyjnej jêczmienia ‘Murasakimochi’ i wra¿liwej ‘Morex’ poddanych stresowi glinowemu [24]. Markery
CAPS zaprojektowane do uzyskanej sekwencji genu pozwala³y na ró¿nicowanie
roœlin tolerancyjnych i wra¿liwych. Poniewa¿ wydaje siê, ¿e cecha tolerancyjnoœci na
glin u jêczmienia jest jednogenowa uda³o siê uzyskaæ kilka markerów doskonale
sprawdzaj¹cych siê w selekcji roœlin tolerancyjnych u tego gatunku. Markery HVM3,
HVM77, Bmac310 i HVRCABG lokalizowano dotychczas blisko centromeru 4H na
mapach sprzê¿eñ dla populacji jêczmienia uzyskanych w wyniku krzy¿owania odmian: ‘Steptoe’ × ‘Morex’, ‘Irgi’ × ‘Franka’, ‘Lina’ × ‘Canada Park’ i ‘Yambla’ ×
‘WB229’ [35, 53, 56, 62]. Markery Bmac310 i HVRCABG zosta³y u¿yte do oceny
tolerancyjnoœci roœlin w populacjach mapuj¹cych otrzymanych dla ‘Harrington’ ×
‘Brindabella’ [57], ‘Ohichi’ × ‘F6ant28B48-16’ [60] i ‘F6ant28B48-16’ × ‘Honan’
[81]. Markery Bmag490 i Bmac310 wykorzystano do selekcji rekombinantów otrzymanych po krzy¿owaniu ‘Dayton’ × ‘Zhepi 2’ [82], a na mapie sprzê¿eñ otrzymanej
dla tych roœlin blisko locus tolerancyjnoœci znalaz³y siê: Bmag353, Bmac310,
Xgwm165, XABG715 i XHvGABP. Pierwszy z nich lokalizowa³ siê równie¿ blisko
(1,6 cM) genu na mapie sprzê¿eñ dla populacji ‘Yambla’ × ‘WB229’ oraz ‘WB229’ ×
12
A. Fiuk, A. Anio³
‘Mimosa’ i zosta³ wprowadzony do rutynowej selekcji [56]. Marker Bmag353
wyjaœnia³ tak¿e 51,3% zmiennoœci genotypowej zwi¹zanej z wydzielaniem kwasu
cytrynianowego w populacji uzyskanej w wyniku krzy¿owania odmian ‘Marasakimochi’ × ‘Morex’ [38].
Na podstawie przytoczonych wyników badañ wydaje siê, ¿e selekcja zbó¿ w kierunku zwiêkszenia tolerancyjnoœci na glin z zastosowaniem markerów molekularnych jest zadaniem trudnym, ale mo¿liwym do wykonania. Szczególnie obiecuj¹ce
wydaj¹ siê byæ wyniki otrzymane dla populacji mapuj¹cych jêczmienia, w którym
poszukiwana cecha jest jednogenowa lub, byæ mo¿e, jeden gen w znacznym stopniu
dominuje nad pozosta³ymi. U ¿yta potwierdzono bezpoœredni¹ bliskoœæ markerów B1
i B4 do locus Alt4, co równie¿ kwalifikuje je jako kandydatów w selekcji wspomaganej markerami (MAS). Z³o¿ony genom pszenicy utrudnia znalezienie odpowiedniego markera, jednak¿e szczegó³owe prace badawcze dla tego gatunku pozwoli³y na
klasyfikacje wielu odmian pszenicy na bazie ró¿nic w obszarze genomu koduj¹cym
geny zwi¹zane z tolerancyjnoœci¹ na glin. Jednak nale¿y podkreœliæ, ¿e wytypowane
markery molekularne najczêœciej umo¿liwiaj¹ selekcjê w kierunku cechy tylko na
okreœlonej populacji mapuj¹cej, dla której by³y identyfikowane i dlatego ich przydatnoœæ w programach hodowlanych jest ograniczona. Wa¿nym aspektem dotychczasowych badañ jest okreœlenie udzia³u i znaczenia poszczególnych genów w fizjologicznej ekspresji cechy oraz lokalizacji poszczególnych QTL na chromosomach
zbó¿.
In¿ynieria genetyczna
w poprawie tolerancyjnoœci roœlin na glin
Podjêto liczne próby poprawienia tolerancyjnoœci roœlin na toksyczne dzia³anie
jonów glinu na drodze transgenezy. Wydawa³o siê, ¿e zwiêkszenie poziomu kwasów
organicznych poprzez podwy¿szenie ekspresji genów koduj¹cych enzymy szlaków
metabolicznych cytrynianów i jab³czanów mo¿e przynieœæ oczekiwany rezultat [76].
Jednak¿e ekspozycja roœlin tolerancyjnych i wra¿liwych na szkodliwe dzia³anie glinu
najczêœciej nie wywo³ywa³a ró¿nic w aktywnoœci tych enzymów [34]. U ¿yta
poddawanego stresowi glinowemu ros³a jedynie aktywnoœæ syntazy cytrynianowej
(CS), podczas gdy aktywnoœæ karboksylazy fosfoenolopirogronianu (PEPC),
dehydrogenazy jab³czanowej (MS) i dehydrogenazy izocytrynianowej (NAD-ICDH)
nie ulega³a zmianom [34]. Gen syntazy cytrynianowej (CS) wprowadzono na drodze
transformacji do tytoniu i papai [23] otrzymuj¹c korzystny efekt, którego jednak nie
potwierdzono w kolejnych eksperymentach [14]. Udane wyniki transformacji konstruktem nios¹cym gen CS uzyskano dla kukurydzy i lucerny [5, 73]. W tolerancyjnych odmianach soi obserwowano podwy¿szon¹ ekspresjê PEPC [18]. Transformacja Arabidopsis thaliana cDNA wyizolowanym z soi pozwoli³a na uzyskanie kilku
13
roœlin o podwy¿szonej tolerancyjnoœci na glin. Na podstawie dotychczasowych badañ
zauwa¿ono, ¿e nawet jeœli nast¹pi zwiêkszenie zawartoœci bia³ek enzymatycznych
szlaku cytrynianów, b¹dŸ jab³czanów w komórkach, nie oznacza to, ¿e zwi¹zki te
bêd¹ wydzielane przez korzenie [41]. Ma³o zadowalaj¹ce wyniki, uzyskane przy
wykorzystaniu do transformacji genów szlaków metabolicznych sugerowa³y, ¿e
ró¿nice w tolerancyjnoœci zwi¹zane s¹ raczej z transportem kwasów organicznych ni¿
z ich syntez¹ i mog¹ wynikaæ ze zmiennej iloœci bia³ek kana³owych w b³onach
komórkowych, ich przepuszczalnoœci dla anionów organicznych oraz aktywacji
przez Al3+ [41]. Otrzymanie sekwencji genu TaALMT1 [70] pozwoli³o na zaprojektowanie wektora plazmidowego odpowiedniego do transformacji roœlin, w wyniku
której móg³by zostaæ poprawiony system transportu i wydzielania jab³czanów. Do
transformacji wykorzystano oba allele genu: ALMT1-1 i ALMT1-2 (pierwszy charakterystyczny dla roœlin tolerancyjnych, a drugi dla wra¿liwych) uzyskuj¹c transgeniczne roœliny ry¿u, jêczmienia i tytoniu oraz oocyty Xenopus laevis [70]. Glin
aktywowa³ wydzielanie kwasu jab³kowego w piêciu transgenicznych liniach ry¿u.
Udowodniono, ¿e inne trójwartoœciowe jony takie jak La3+ i Fe3+ nie maj¹ wp³ywu na
wydzielanie jab³czanów. Uzyskano równie¿ podwy¿szon¹ tolerancyjnoœæ na glin
w zawiesinie komórkowej tytoniu, w roœlinach jêczmienia i oocytach Xenopus laevis.
Kolejnym krokiem by³a transformacja za pomoc¹ tego samego konstruktu wra¿liwej na glin odmiany jêczmienia ‘Golden Promise’ [16]. Uzyskano roœliny, które
charakteryzowa³y siê brakiem zahamowania wzrostu korzeni w obecnoœci jonów
Al3+. Stymulacjê wydzielania kwasów organicznych przez glin potwierdzono stosuj¹c kwas niflumowy, który blokuje kana³y anionowe, a wiêc i wydzielanie jab³czanów
oraz stosuj¹c jony erbu (Er), które stymuluj¹ wyp³yw jab³czanów. W innej pracy do
transformacji wykorzystano gen HvAACT1 zwi¹zany z wydzielaniem cytrynianów
u jêczmienia. Doprowadzono do 70% nadekspresji tego genu w transgenicznych
roœlinach tytoniu [24].
Wydaje siê, ¿e wprowadzenie genów z rodziny ALMT i MATE do ró¿nych
gatunków roœlin ma obiecuj¹c¹ przysz³oœæ i mo¿e w znacznym stopniu przyczyniæ siê
do uzyskania odmian o podwy¿szonej tolerancyjnoœci na glin, szczególnie w gatunkach, w których brak zminnoœci pod wzglêdem tej cechy.
Literatura
[1]
Anio³ A. 2004. Chromosomal location of aluminium tolerance genes in rye. Plant Breed. 123: 132–136.
[2]
Anio³ A., Gustafson J.P. 1984. Chromosome location of genes controlling aluminium tolerance in wheat, rye,
and triticale. Can. J. of Genet. Cytol. 26: 701–705.
[3]
Anio³ A. 1990. Genetics of tolerance to aluminium in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Soil 123: 223–227.
[4]
Anio³ A. 1995. Physiological aspects of aluminium tolerance associated with the long arm of chromosome 2D of
the wheat (Triticum aestivum L.) genome. Theor. Appl. Genet. 91: 510–516.
[5]
Barone P., Rosellini D., Lafayette P., Bouton J., Veronesi F., Parrott W. 2008. Bacterial citrate synthase
expression and soil aluminium tolerance in transgenic alfalfa. Plant Cell Rep. 27: 893–901.
14
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
A. Fiuk, A. Anio³
Benito C., Silva-Navas J., Fontecha G., Hernández-Riquer M.V., Eguren M., Salvador N., Gallego F.J. 2009.
From the rye Alt3 and Alt4 aluminum tolerance loci to orthologous genes in other cereals. Plant Soil 327(1–2):
107–120 DOI 10.1007/s11104-009-0035-9.
Berzonsky W.A. 1992. The genomic inheritance of aluminium tolerance in ‘Atlas 66’ wheat. Genome 35:
689–693.
Cai S., Bai G.-H., Zhang D. 2008. Quantitative trait loci for aluminum resistance in Chinese wheat landrace
FSW. Theor. Appl. Genet. 117: 49–56.
Camargo C.E.O. 1981. Wheat improvement. I. The heritability of tolerance to aluminium toxicity. Bragantia
40: 33–45
Carver B.F., Whitmore W.E., Smith E.L., Bona L. 1993. Registration of four aluminium-tolerant winter wheat
germplasms two susceptible near-isolines. Crop Sci. 33: 1113–1114.
Collins N.C., Shirley N.J., Saeed M., Pallotta M., Gustafson J.P. 2008. An ALMT1 gene gluster controlling
aluminum tolerance at the Alt4 locus of rye (Secale cereale L.). Genetics 179: 669–682.
Collins N.C., Tardieu F., Tuberosa R. 2008. Quantitative trait loci and crop performance under abiotic stress:
where do we stand? Plant Physiol. 147: 469–486.
Delhaize E., Gruber B.D., Ryan P.R. 2007. The roles of organic anion permeases in aluminium resistance and
mineral nutrition. FEBS Lett. 581: 2255–2262.
Delhaize E., Hebb D.M., Ryan P.R. 2001. Expression of a Pseudomonas aeruginosa citrate synthase gene in
tobacco is not associated with either enhanced citrate accumulation or efflux. Plant Physiol. 125/4:2059–2067.
Delhaize E., Ryan P.R. 1995. Aluminium toxicity and tolerance in plants. Plant Physiol. 107: 315–321.
Delhaize E., Ryan P.R., Hebb D.M., Yamamoto Y., Sasaki T. 2004. Engineering high-level aluminium
tolerance in barley with the ALMT1 gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101: 15249–15254.
Delhaize E., Ryan P.R., Randall P.J. 1993. Aluminium tolerance in wheat (Triticum aestivum L.) II.
Aluminium-stimulated excretion of malic-acid from root apices. Plant Physiol. 103: 695–702.
Ermolayev V., Weschke W., Manteuffel R. 2003. Comparison of Al-induced gene expression in sensitive and
tolerant soybean cultivars. J. Exp. Bot. 54/ 393: 2745–2756.
Ezaki B., Katsuhara M., Kawamura M., Matsumoto H. 2001. Different mechanisms of four aluminum
(Al)-resistant transgenes for Al Toxicity in Arabidopsis. Plant Physiol. 127/3: 918–927.
Fontecha G., Silva-Navas J., Benito C., Mestres M.A., Espino F.J., Hernández-Ríquer V., Mestres M.A.,
Gallego F.J. 2007. Candidate gene identifcation of an aluminum-activated organic acid transporter gene at the
Alt4 locus for aluminum tolerance in rye (Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 114: 249–260.
Foy C.D. 1996. Tolerance of barley cultivars to an acid, aluminium-toxic subsoil related to mineral element
concentrations in their shoots. J. Plant Nutr. 19: 1361–1380.
Foy C.D. 1992. Soil chemical factors limiting plant root growth. W: Advances in soil science: limitation to plant
root growth. New York: Springer-Verlag. Pod redakcj¹: Hatfield J.L., Stewart B.A. Vol. 19.: 97–149.
Fuente J.M., Ramírez-Rodríguez V., Cabrera-Ponce J.L., Herrera-Estrella L. 1997. Aluminum tolerance in
transgenic plants by alteration of citrate synthesis. Science 276/5318: 1566–1568.
Furukawa J., Yamaji N., Wang H., Mitani N., Murata Y. 2007. An aluminum-activated citrate transporter in
barley. Plant Cell Physiol. 48: 1081–1091.
Gallego F.J., Benito C. 1997. Genetic control of aluminium tolerance in rye (Secale cereale L.). Theor. Appl.
Genet. 95: 393–399.
Gallego F.J., Calles B., Benito C. 1998. Molecular markers linked to the aluminium tolerance gene Alt1 in rye
(Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 97: 1104–1109.
Gallego F.J., Lopez-Solanilla E., Figueiras A.M., Benito C. 1998. Chromosomal location of PCR fragments as
a source of DNA markers linked to aluminium tolerance genes in rye. Theor. Appl. Genet. 96: 426–434.
Garvin D.F., Carver B.F. 2003. The role of the genotype in tolerance to acidity and aluminium toxicity.
W: Handbook of Soil Acidity, Rengel Z. (red.) New York, Marcel Dekker: 387–406.
Guo P., Bai G., Carver B., Li R., Bernardo A., Baum M. 2007. Transcriptional analysis between two wheat
near-isogenic lines contrasting in aluminum tolerance under aluminum stress. Mol. Genet. Genomics 277: 1–12.
Hackauf B., Wehling P. 2002. Identification of microsatellite polymorphisms in an expressed portion of the rye
genome. Plant Breed. 121: 17–25.
Hu S. W., Bai G.-H., Carver B. F., Zhang D. 2008. Diverse origins of aluminum-resistance sources in wheat.
Theor. Appl. Genet. 118: 29–41.
Hu X.M., Pan J.W., Chen H., Zhu M.Y. 2002. Aluminum-induced ultraweak luminescence changes in root-tip
cells of barley. J. Zhejiang Univ. Sci. 18: 383–386.
15
[33] Kochian L.V. 1995. Cellular mechanisms of aluminium toxicity and resistance in plants. Annu. Rev. Plant
Physiol. Plant Mol. Biol. 46: 237–260.
[34] Li X.F., Ma J.F., Matsumoto H. 2000. Pattern of aluminum-induced secretion of organic acids differs between
rye and wheat. Plant Physiol. 123/4: 1537–1543.
[35] Liu Z.W., Biyashev R.M., Saghai-Maroof M.A. 1996. Development of simple sequence repeat DNA markers
and their integration into a barley linkage map. Theor. Appl. Genet. 93: 869–876.
[36] Luo M.C., Dvoøák J. 1996. Molecular mapping of an aluminum tolerance locus on chromosome 4D of Chinese
Spring wheat. Euphytica 91: 31–35.
[37] Ma H.X., Bai G.H., Carver B.F., Zhou L.L. 2005. Molecular mapping of a quantitative trait locus for aluminum
tolerance in wheat cultivar Atlas 66. Theor. Appl. Genet. 112: 51–57.
[38] Ma J.F., Nagao S., Sato K., Ito H., Furukawa J., Tekeda K. 2004. Molecular mapping of a gene responsible for
Al-activated secretion of citrate in barley. J. Exp. Bot. 55: 1335–1341.
[39] Ma J.F., Taketa S., Yang Z.M. 2000. Aluminium tolerance genes on the short arm of chromosome 3R are linked
to organic acid release in triticale. Plant Physiol. 122: 687–694.
[40] Ma J.F., Zheng J.S., Li X.F., Takeda K., Matsumoto H. 1997. A rapid hydroponic screening for aluminium
tolerance in barley. Plant Soil. 191/1: 133–137.
[41] Ma X.F., Wanous M.K., Houchins K., Milla M.A.R., Goicoechea P.G. 2001. Molecular linkage mapping in rye
(Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 102: 517–523.
[42] Maltais K., Houde M. 2002. A new biochemical markers for aluminium tolerance in plants. Physiol. Plant.
115/1: 81–87.
[43] Matos M., Pérez-Flores V., Camacho M.V., Pernaute B., Pinto- Carnide O., Benito C. 2007. Detection and
mapping of SSRs in rye ESTs from aluminium-stressed roots. Mol. Breeding 20: 103–115.
[44] Matos M., Camacho M.V., Pérez-Flores V., Pernaute B., Pinto-Carnide O. 2005. A new aluminium tolerance
gene located on rye chromosome arm 7RS. Theor. Appl. Genet. 111: 360–369.
[45] Miftahudin T., Chikmawati T., Ross K., Scoles G.J., Gustafson J.P. 2005. Targeting the aluminium tolerance
gene Alt3 region in rye, using rice/rye micro-colinearity. Theor. Appl. Genet. 110: 906–913.
[46] Miftahudin T., Scoles G.J., Gustafson J.P. 2004. Development of PCR-based codominant markers flanking the
Alt3 gene in rye. Genome 47: 231–238.
[47] Miftahudin T., Rodriguez Milla M.A., Ross K., Gustafson J.P. 2003. Mapping aluminium tolerance in cereals
using rice/rye syntheny. W: Proceedings of International Congress „In the wake of double helix: From the green
revolution to the gene revolution”, Tuberosa R., Philips R.L., Gale M. (red.), 27–31 May 2003, Bologna, Italy:
207–215.
[48] Miftahudin T., Scoles G.J., Gustafson J.P. 2002. AFLP markers tightly linked to the aluminium-tolerance gene
Alt3 in rye (Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 104: 626–631.
[49] Minella E., Sorrells M.E. 1992. Aluminum tolerance in barley: genetic relationships among genotypes of
diverse origin. Crop Sci. 32: 593–598.
[50] Minella E., Sorrells M.E. 1997. Inheritance and chromosome location of Alp, a gene controlling aluminium
tolerance in ‘Dayton’ barley. Plant Breed. 116: 465–469.
[51] Moustakas M., Ouzounidou G., Lannoye R. 1993. Rapid screening for aluminium tolerance in cereals by use of
the chlorophyll fluorescence test. Plant Breed. 111: 343–346.
[52] Navakode S., Weidner A., Lohwasser U., Röder M. S., Börner A. 2009. Molecular mapping of quantitative trait
loci (QTLs) controlling aluminium tolerance in bread wheat. Euphytica 166: 283–290.
[53] Perovic D., Smilde W.D., Haluskova J., Waugh R., Sasaki T., Graner A. 2000. Update of the Igri/Franka
molecular marker map. Barley Genomics Newsl. 30: 15–19.
[54] Polle E., Konzak C.F., Kittrick A.J. 1978. Visual detection of aluminium tolerance levels in wheat by
hematoxylin staining of seedling roots. Crop Sci. 18: 823–827.
[55] Raman H., Karakousis A., Moroni J.S., Raman R., Read B.J., Garvin D.F., Kochian L.V., Sorrells M.E. 2003.
Development and allele diversity of microsatellite markers linked to the aluminium tolerance gene Alp in
barley. Aust. J. Agric. Res. 54: 1315–1321.
[56] Raman H., Moroni J.S., Sato K., Read B.J., Scott B.J. 2002. Identification of AFLP and microsatellite markers
linked with an aluminium tolerance gene in barley (Hordeum vulgare L.). Theor. Appl. Genet. 105: 458–464.
[57] Raman H., Moroni S., Raman R., Karakousis A., Read B., Sato K., Scott B.J. 2001. A genomic region associated
with aluminium tolerance in barley. Proceedings of the 10th Australian Barley Technical Symposium.
Canberra, 16–20 September. Http://www.regional.org.au/au/abts/2001/t3/raman.htm
16
A. Fiuk, A. Anio³
[58] Raman H., Raman R., Wood R., Martin P. 2006. Repetitive indel markers within the ALMT1 gene conditioning
aluminium tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Mol. Breed 18: 171–183.
[59] Raman H., Ryan P.R., Raman R., Stodart B.J., Zhang K., Martin P., Wood R., Sasaki T., Yamamoto Y., Mackay
M., Hebb D.M., Delhaize E. 2008. Analysis of TaALMT1 traces the transmission of aluminum resistance in
cultivated common wheat (Triticum aestivum L.). Theor. Appl. Genet. 116: 343–354.
[60] Raman H., Wang J.P., Read B., Zhou M.X., Venkataganappa S., Moroni J.S., O’ Bree B., Mendham N. 2005.
Molecular mapping of resistance to aluminium toxicity in barley. Proceedings of Plant and Animal Genome
XIII Conference, January 15–19, San Diego, pp154. Http://www.intl-ag.org/13/abstracts/PAG13_P328.htm
[61] Raman H., Zhang K., Cakir M., Appels R., Garvin D.F. , Maron L.G., Kochian L.V., Moroni J.S., Raman R.,
Imtiaz M., Drake-Brockman F., Waters I., Martin P., Sasaki T., Yamamoto Y., Matsumoto H., Hebb D.M.,
Delhaize E., Ryan P.R. 2005. Molecular characterization and mapping of ALMT1, the aluminium-tolerance
gene of bread wheat (Triticum aestivum L.). Genome 48: 781–791.
[62] Ramsay L., Macaulay M., Degli Ivanissevich S., Maclean K., Cardle L., Fuller J., Edwards K.J., Tuveson S.,
Morgante M., Massari A., Maestri E., Marmiroli N., Sjakste T., Ganal M., Powell W., Waugh R. 2000. A simple
sequence repeat based linkage map of barley. Genetics 156: 1997–2005.
[63] Riede C.R., Anderson J.A. 1996. Linkage of RFLP markers to an aluminum tolerance gene in wheat. Crop Sci.
36: 905–909.
[64] Ryan P.R., Delhaize E., Jones D.L. 2001. Function and mechanism of organic anion exudation from plant roots.
Annu Rev. Plant Physiol Plant Mol. Biol. 52: 527–560.
[65] Ryan P.R., Delhaize E., Randall P.J. 1995. Characterisation of Al-stimulated efflux of malate from the apices of
Al-tolerant wheat roots. Planta 196/1: 103–111
[66] Ryan P.R., Raman H., Gupta S., Horst W.J., Delhaize E. 2009. A second mechanism for aluminum resistance in
wheat relies on the constitutive efflux of citrate from roots. Plant Physiol. 149: 340–351.
[67] Ryan P.R., Skerrett M., Findlay G.P., Delhaize E., Tyerman S. 1997. Aluminum activates an anion channel in
the apical cells of wheat roots. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 6547–6552.
[68] Sánchez-Chacón C.D., Federizzi L.C., Milach S.C.K., Pacheco M.T. 2000. Variabilidade genética e herança da
tolerância á toxicidade do alumínio em aveia. Pesq. Agropec. Bras. 35: 1797–1808.
[69] Sasaki T., Ryan P.R., Delhaize E., Hebb D.M., Ogihara Y., Kawaura K., Noda K., Kojima T., Toyoda A.,
Matsumoto H., Yamamoto Y. 2006. Sequence upstream of the wheat (Triticum aestivum L.) ALMT1 gene and
its relationship to aluminum resistance. Plant Cell Physiol. 47: 1343–1354.
[70] Sasaki T., Yamamoto Y., Ezaki B., Katsuhara M., Ahn S.J. 2004. A wheat gene encoding an aluminium-activated
malate transporter. Plant J. 37: 645–653.
[71] StLen O., Anderson S. 1978. Inheritance of tolerance to low soil pH in barley. Hereditas 88: 101–105.
[72] Stass A., Smit I., Eticha D., Oettler G., Horst J.H. 2008. The significance of organic-anion exudation for the
aluminium resistance of primary triticale derived from wheat and rye parents differing in aluminium resistance.
Journal of Plant Nutrition and Soil Science 171/4: 634–642.
[73] Stival Da Silva A.L., Becke D., Lörz H. 2001. Production of citrate-overproducing transgenic maize.
Biomedical and Life Sciences 92: 46–47.
[74] Sztuba-Soliñska J. 2005. Systemy markerów molekularnych i ich zastosowanie w hodowli roœlin. Kosmos
54/2–3: 227–239.
[75] Szyp-Borowska I. 2005. Mapowanie cech iloœciowych jako nowe narzêdzie w hodowli selekcyjnej drzew
leœnych. Leœne Prace Badawcze 1: 99–107.
[76] Takita E., Koyama H., Hara T. 1999. Organic acid metabolism in aluminum-phosphate utilizing cells of carrot
(Daucus carota). Plant Cell Physiol. 10: 57–93.
[77] Tang Y., Sorrells M.E., Kochian L.V., Garvin D.F. 2000. Identification of RFLP markers linked to the barley
aluminium tolerance gene Alp. Crop Sci. 40: 778–782.
[78] Tang Y., Garvin D.F., Kochian L.V., Sorrells M.E., Carver B.F. 2002. Physiological genetics of aluminum
tolerance in the wheat cultivar Atlas 66. Crop Science 42: 1541–1546.
[79] Wagner C.M., Milach S.C.K., Federizzi L.C. 2001. Genetic inheritance of aluminium tolerance in oat. Crop
Breeding Appl. Biotechnol. 1: 22–26.
[80] Wang J.P., Raman H., Read B., Zhou M.X., Mendham N., Venkatanagappa S. 2006. Validation of an Alt locus
for aluminium tolerance scored with eriochrome cyanine R staining method in barley cultivar Honen (Hordeum
vulgare L.). Aust. J. Agric. Res. 57: 113–118.
[81] Wang J.P., Raman H., Zhang G.P., Mendham N., Zhou M.X. 2006. Aluminium tolerance in barley (Hordeum
vulgare L.): physiological mechanisms, genetics and screening methods. J. Zhejiang Univ. Sci. 7/10: 769–787.
17
[82] Wang J.P., Raman H., Zhou M.X., Ryan P.R., Delhaize E. 2007. High-resolution mapping of the Alp locus and
identification of a candidate gene HvMATE controlling aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.).
Theor. Appl. Genet. 115: 265–276.
[83] Wight C.P., Kibite S., Tinker N.A., Molnar S.J. 2006. Identification of molecular markers for aluminium
tolerance in diploid oat through comparative mapping and QTL analysis. Theor. Appl. Genet. 112: 222–231.
[84] Xu A.B., Dang B.Y., Zhu M.Y., Yuan M.B., Huang C.N., Yu J.J., Huang Q., Wu Y.L., Ni Z.Y. 1991. Screening
barley varieties for tolerance of acidic aluminium. Crop Genet. Res. 3: 17–19.
[85] Zhang W.-H., Ryan P.R., Tyerman S. 2001. Malate-permeable channels and cation channels activated by
aluminum in the apical cells of wheat roots. Plant Physiol. 125: 1459–1472.
[86] Zhou L.-L., Bai G.-H., Ma H.-X., Carver B. F. 2007. Quantitative trait loci for aluminum resistance in wheat.
Mol. Breeding 19: 153–161.
Possibility of using molecular markers
in breeding cereals plants with increasd tolerance
to aluminium toxicity
Key words: molecular markers, aluminium tolerance
Summary
One of the important problems in crop cultivation and breeding in Poland and
many other parts of World is to maintain and improve plant production on acid soils. It
is assumed that at least 40% of agriculturally used area is affected by low pH, mostly
due to farming and development of modern industry. Aluminium tolerance is an important trait that allows plant growth on acid, mineral soils. Genes associated with aluminium tolerance were located on chromosomes of major cereals: barley, rye and
wheat. Although some molecular markers linked to the genes are available, they are
hardly useful for marker assisted selection (MAS) because linked to some fragments
of Al-tolerance mechanism. The newest data on mechanisms of aluminium tolerance
are presented in the paper. Within these scope molecular aspects of aluminium tolerance such as: location of aluminium tolerance genes, their molecular markers and possibility of transgenesis with using genes are discussed.
Postêpy Nauk Rolniczych
nr 3/2010: 19–32
Wykorzystanie allomonów roœlinnych
do ochrony plantacji roœlin uprawnych
przed szkodliwymi owadami
Agnieszka Buczkowska, Ma³gorzata Rochalska
Katedra Fizjologii Roœlin, Wydzia³ Rolnictwa i Biologii,
Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa
S³owa kluczowe: naturalne insektycydy, uprawa wspó³rzêdna, hodowla
odpornoœciowa, allelozwi¹zki, wtórne metabolity, allomony,
antyfidanty, repelenty, trucizny
Wstêp
Rozwój rolnictwa niew¹tpliwie przyczyni³ siê do zintensyfikowania poszukiwañ
œrodków zabezpieczaj¹cych roœliny uprawne przed atakami szkodników. Efektem
tych poszukiwañ by³o zastosowanie pierwszych pestycydów syntetycznych. Dosyæ
szybko okaza³o siê, ¿e powszechnie u¿ywane do zwalczania szkodników chlorowcopochodne wêglowodorów aromatycznych (DDT, lindan) s¹ zwi¹zkami, które w niezmienionej formie pozostaj¹ przez d³ugi czas w œrodowisku oraz kumuluj¹ siê w organizmach ¿ywych. Syntetyczne pestycydy s¹ skuteczne, jednak nios¹ ze sob¹ wiele zagro¿eñ. Nadmierne i jednostronne stosowanie chemicznych œrodków ochrony roœlin
zaburza równowagê biocenotyczn¹, a tak¿e powoduje uodpornienia szkodników. Z obawy przed niekorzystnym dzia³aniem syntetycznych pestycydów rozpoczêto poszukiwania nowych, bezpieczniejszych preparatów oraz alternatywnych metod zwalczania
agrofagów. Du¿¹ rolê w ograniczeniu iloœci stosowanych pestycydów mia³ równie¿
wzrost œwiadomoœci konsumentów i ich obawy przed ska¿eniem produktów ¿ywnoœciowych pozosta³oœciami i produktami rozk³adu œrodków ochrony roœlin.
Racjonalna ochrona roœlin przed szkodliwymi owadami jest bardzo wa¿na.
¯eruj¹ce agrofagi uszkadzaj¹ i zniekszta³caj¹ ró¿ne czêœci roœlin, przenosz¹ czynniki
chorobotwórcze, takie jak wirusy, bakterie lub grzyby. W konsekwencji prowadzi to
czêsto do znacznego obni¿enia plonu. W ostatnich dziesiêcioleciach, w wyniku
20
A. Buczkowska, M. Rochalska
osi¹gniêæ in¿ynierii genetycznej i biotechnologii, zintensyfikowano badania nad
identyfikacj¹ substancji odpowiedzialnych za odpornoœæ roœlin. Stworzy³o to mo¿liwoœæ opracowania alternatywnych programów ochrony roœlin uprawnych. Do celu
ochrony plantacji mog¹ byæ wykorzystane wystêpuj¹ce w roœlinach naturalne zwi¹zki,
które modyfikuj¹ zachowanie, wzrost i rozwój roœlino¿ernych owadów. Mog¹ one
s³u¿yæ, jako wzorce do produkcji syntetycznych insektycydów. Istnieje równie¿
mo¿liwoœæ wykorzystania genotypów roœlin odpornych, wytwarzaj¹cych allelozwi¹zki, jako potencjalnych materia³ów wyjœciowych do hodowli odpornych odmian
roœlin uprawnych.
Roœlinne allelozwi¹zki
Pierwotnie uwa¿ano, ¿e metabolity wtórne s¹ substancjami odpadowymi metabolizmu podstawowego lub produktami procesu wewn¹trzkomórkowej detoksykacji.
Obecnie uwa¿a siê, ¿e metabolizm wtórny jest efektem biochemicznej adaptacji
roœlin do otaczaj¹cego œrodowiska, oraz istotnym elementem systemu regulacji
rozwoju roœlin [25].
W latach 70. XX wieku zaproponowano, aby metabolity wtórne, które odgrywaj¹
rolê we wzajemnych powi¹zaniach miêdzy organizmami (w tym wypadku miêdzy
roœlinami i szkodnikami) nazwaæ allelomonami (inne okreœlenia to allelochemikalia
czy allelozwi¹zki). Allelozwi¹zki to substancje, które s¹ wytwarzane przez okreœlony
gatunek i wp³ywaj¹ na wzrost, stan fizjologiczny, zachowanie siê lub inne parametry
populacji drugiego gatunku. Nie odgrywaj¹ jednak roli w jego od¿ywianiu. W powi¹zaniach miêdzy roœlinami a szkodnikami dominuj¹ dwie grupy allelozwi¹zków:
l allomony – korzystne dla roœliny ¿ywicielskiej (repelenty, antyfidanty, trucizny),
l kairomony – korzystne dla szkodnika (atraktanty, arestanty, fagostymulanty) [14].
W ochronie roœlin uprawnych zastosowanie znajduj¹ wszystkie wy¿ej wymienione grupy. Mo¿liwoœci wykorzystania allomonów s¹ nastêpujace.
Repelenty (z ang. repellent – odstraszaj¹cy, odpychaj¹cy) to najczêœciej lotne,
wonne substancje (olejki eteryczne), które odstraszaj¹ fitofagi lub drapie¿niki [34].
Olejki eteryczne s¹ spotykane u wszystkich roœlin i syntetyzowane w ró¿nych ich
czêœciach (korzeniach, k³¹czach, cebulach, liœciach, kwiatach, owocach, nasionach).
W najwiêkszych iloœciach wystêpuj¹ u roœlin z rodzin selerowatych (Apiaceae),
astrowatych (Asteraceae), rutowatych (Rutaceae), bodziszkowatych (Geraniaceae),
jasnotowatych (Lamiaceae), skalnicowatych (Saxifragaceae), imbirowatych (Zingiberaceae), a tak¿e w szyszkach i ig³ach roœlin iglastych (Pinopsida) [25]. Zwi¹zki
zapachowe, emitowane przez roœliny dra¿ni¹ chemoreceptory i wywo³uj¹ specyficzne reakcje owadów ju¿ podczas poszukiwania roœliny ¿ywicielskiej oraz na etapie
siadania na roœlinie [26, 30]. Istnieje wiele doniesieñ o roœlinach wytwarzaj¹cych
zwi¹zki o repelentnym dzia³aniu na owady [2, 3, 4, 13, 18, 21, 22, 35, 36, 43, 44, 47].
Wykorzystanie allomonów roœlinnych …
21
Antyfidanty (z ang. anti – przeciw feed – ¿erowaæ) s¹ to substancje roœlinne, które
hamuj¹ ¿erowanie fitofagów oraz zniechêcaj¹ je do sk³adania jaj. Dzia³anie tych
substancji ujawnia siê dopiero w momencie zasiedlenia roœliny przez szkodnika.
Antyfidanty przez niektórych autorów nazywane s¹ równie¿ fagorepelentami [4].
Zazwyczaj nie s¹ one toksyczne dla owadów, b¹dŸ ich toksycznoœæ jest niewielka.
Antyfidanty nie dzia³aj¹ odstraszaj¹co, ale hamuj¹ ¿erowanie. W efekcie tego owad
ginie œmierci¹ g³odow¹. Charakterystyczn¹ cech¹ antyfidantów jest selektywnoœæ
dzia³ania, gdy¿ nie reaguj¹ na nie paso¿yty, drapie¿ni wrogowie szkodników oraz
zapylacze [4, 38]. Do tej grupy zwi¹zków nale¿¹ terpenoidy, alkaloidy, zwi¹zki
fenolowe i glikozydy [4, 9, 25, 53].
ród³em szczególnie silnych antyfidantów s¹ roœliny tropikalne, które aby prze¿yæ, musia³y wykszta³ciæ mechanizmy obronne [4]. Równie¿ w strefie klimatu umiarkowanego istnieje wiele roœlin wykazuj¹cych w³aœciwoœci antyfidantne w stosunku
do ró¿nych gatunków owadów. Substancje o najsilniejszym dzia³aniu produkuj¹
roœliny z rodzin: meliowatych (Meliaceae), astrowatych (Asteraceae), werbenowatych (Verbenaceae), jasnotowatych (Lamiaceae), psiankowatych (Solanaceae). Dzia³aj¹ one na g¹sienice motyli, chrz¹szcze, pluskwiaki ró¿noskrzyd³e i prostoskrzyd³e
[8, 54]. Jednym z najwczeœniej poznanych, a zarazem najbardziej aktywnych antyfidantów jest azadirachtyna znajduj¹ca siê w miodli indyjskiej (Azadirachta indica
JUSS.), drzewie pospolitym w Indiach i wielu rejonach Afryki. Triterpen azadirachtyna nale¿y do grupy zwi¹zków limonidowych [33]. Ma szerokie spektrum dzia³ania
(hamuje ¿erowanie, obni¿a p³odnoœæ, zaburza wzrost i rozwój) wobec wielu gatunków owadów, roztoczy, nicieni i mikroorganizmów. Dzia³a na ponad 60 gatunków
owadów miêdzy innymi: szarañczê wêdrown¹ (Locusta migratoria L.), szarañczê
pustynn¹ (Schistocerca gregaria L.), stonkê ziemniaczan¹ (Leptinotarsa decemlineata SAY.), g¹siennice motyli z rodziny sówkowatych (Noctuidae), omacnicowatych
(Pyralidae), np. omacnica prosowianka – Ostrinia nubilalis HÜBN., bielinkowatych
(Pieridae), np. bielinek kapustnik – Pieris brassicae L., tantnisiowatych (Plutellidae),
np. tantniœ krzy¿owiaczek – Plutella maculipennis CURT., niedŸwiedziówkowatych
(Arctiidae), a tak¿e wciornastki, pluskwiaki, miniarki, niektóre gatunki b³onkówek
i muchówek [4, 22, 39, 47]. W literaturze mo¿na znaleŸæ wiele innych przyk³adów
zwi¹zków o dzia³aniu antyfidantnym [10, 27, 28, 40, 41]. Antyfidanty i repelenty
wp³ywaj¹ na zachowanie owadów, lecz zwykle nie s¹ dla nich toksyczne.
Trucizny zaœ powoduj¹ zaburzenia zachowania, pora¿enie lub œmieræ owadów.
Ich dzia³anie zale¿y od dawki, stadium rozwojowego, typu ¿erowania owada i sposobu wydalania trucizny [22]. Najbardziej znan¹ grup¹ toksyn roœlinnych s¹ alkaloidy.
Zalicza siê do nich nikotynê, nornikotynê i anabazynê. Nikotyna wystêpuje nie tylko
w tytoniu szlachetnym (Nicotiana tabacum L.) i tytoniu bakun (Nicotiana rustica L.)
od których wziê³a nazwê, ale tak¿e w pituri (Duboisia hopwoodii MUELL), tojeœci
amerykañskiej (Asclepias syriaca L.) i innych roœlinach z rodziny psiankowatych
(Solanaceae) [29]. Jej skutecznoœæ wynika z tego, ¿e jako analog acetylocholiny ³¹czy
22
siê z receptorami acetylocholinowymi b³on komórkowych powoduj¹c blokadê przewodzenia impulsów nerwowych i zaburzaj¹c pracê miêœni co prowadzi do dysfunkcji
uk³adu motorycznego [31]. Nikotyna jest toksyczna dla wielu szkodliwych owadów
m.in. dla stonki ziemniaczanej, mszyc, miodówkowatych, wciornastków, zwójek,
tantnisia krzy¿owiaczka, gnatarza rzepakowca, œmietki kapuœcianej [32]. Innym
przyk³adem allomonu o truj¹cym dzia³aniu jest pyretryna, wytwarzana w kwiatach
z³ocienia dalmatyñskiego (Chrysanthemum cinerariaefolium L.) Roœlina ta produkuje równie¿ inne neurotoksyczne estry takie jak: cinerinê I, cinerinê II i jasmoliny
I i II. Pyretryny s¹ szczególnie aktywne przeciw mszycom, bielinkowi kapustnikowi
i rzepnikowi, omacnicy byliczance, owocówce jab³kóweczce i chrz¹szczom. Naturalne pyretryny wystêpuj¹ równie¿ u wielu innych z³ocieni [1,15, 29, 32, 36]i: z³ocienia
kaukaskiego (Chrysanthemum roseum WEB.), z³ocienia ró¿owego (Chrysanthemum
coccineum L.), z³ocienia marszalskiego (Chrysanthemum marschalli ASCHERS), z³ocienia polnego (Chrysanthemum segetum L.). Znaleziono je tak¿e w bertramie
lekarskim (Anacyclus officinarum HAYNE), aksamitce wzniesionej (Tagetes erecta L.)
i aksamitce drobnej (Tagetes minuta L.).
Naturalne insektycydy
Ochrona roœlin to jeden z podstawowych czynników wp³ywaj¹cych na iloœæ
i jakoœæ uzyskiwanych plonów. Szkodniki owadzie zwalcza siê g³ównie za pomoc¹
insektycydów. Jednak wprowadzenie ogromnych iloœci pestycydów powoduje nieodwracalne zmiany œrodowiska naturalnego, stanowi zagro¿enie dla zwierz¹t i ludzi
oraz sprzyja powstawaniu odpornych ras owadów. Niska selektywnoœæ dzia³ania
przyczynia siê do wyniszczenia po¿ytecznej entomofauny, w tym naturalnych wrogów szkodników. Gatunki owadów, które nie stanowi³y do niedawna zagro¿enia dla
roœlin uprawnych staj¹ siê problemem. Dlatego zaczêto poszukiwaæ wystêpuj¹cych
w roœlinach naturalnych zwi¹zków, które modyfikuj¹ zachowanie, wzrost i rozwój
roœlino¿ernych owadów [7, 20]. Preparaty uzyskiwane z roœlin wytwarzaj¹cych takie
substancje z powodzeniem mog¹ zastêpowaæ chemiczne insektycydy. Na skutecznoœæ zabiegów wykonywanych preparatami roœlinnymi wp³ywa sposób ich przygotowania oraz jakoœæ surowca [7].
Przeprowadzono wiele badañ nad wykorzystaniem preparatów roœlinnych w ochronie roœlin. Alkoholowe i wodne wyci¹gi z nagietka lekarskiego (Calendula officinalis
L.) wykazuj¹ antyfidantne dzia³anie w stosunku do g¹sienic bielinka kapustnika,
zaburzaj¹c ich metabolizm i powoduj¹c wysok¹ œmiertelnoœæ larw. Podobnie dzia³aj¹
wyci¹gi z bodziszka cuchn¹cego (Geranium robertianum L.), ruty zwyczajnej (Ruta
graveolens L.) i rdestu powojowego (Fallopia convolvulus L.). Bardzo silnym
dzia³aniem deterentnym charakteryzuj¹ siê wyci¹gi alkoholowe z tytoniu szlachetnego, psianki s³odkogórz (Solanum dulcamara L.), lubczyku ogrodowego (Levisticum
officinale L.), d¹brówki roz³ogowej (Ajuga reptans L.) oraz wyci¹g wodny z machor-
23
ki czyli tytoniu bakun. Rozwój g¹sienic bielinka kapustnika najsilniej ograniczaj¹
wyci¹gi z arcydziêgla litwora (Archangelica officinalis L.) i kolendry siewnej (Coriandrum sativum L.). Wodne wyci¹gi z roœlin selerowatych (Apiaceae), psiankowatych (Solanaceae), rdestowatych (Polygonaceae), ruty zwyczajnej, chabra b³awatka
(Centurea cyanus L.), kocanek piaskowych (Helichrysum arenarium L.), nagietka
lekarskiego (Calendula officinalis L.) i bylicy pio³unu (Artemisia absinthium L.),
chroni¹ roœliny uprawne przed sk³adaniem jaj przez motyle bielinka [47].
Preparaty roœlinne mo¿na stosowaæ do ochrony ziemniaków przed stonk¹ ziemniaczan¹. Wodne wyci¹gi z k³¹cza rdestu wê¿ownika (Polygonum bistorta L.) i ziela
rdestu plamistego (Polygonum persicaria L.) silnie ograniczaj¹ liczebnoœæ chrz¹szczy zimuj¹cych oraz liczebnoœæ z³ó¿ jaj stonki [55]. Preparaty czosnkowe wykazuj¹
owadobójcze dzia³anie dla larw stonki ziemniaczanej [52]. Pokrycie roœlin ziemniaka
wodnym wyci¹giem z d¹brówki roz³ogowej ogranicza liczebnoœæ chrz¹szczy zimuj¹cych oraz sk³adanie jaj o ok. 50%. Wyci¹g wodny z nagietka lekarskiego ogranicza
¿erowanie chrz¹szczy i powoduje zaburzenia w przyswajaniu pokarmu przez larwy.
Wyci¹gi z bazylii pospolitej (Ocimum basilicum L.), majeranku pospolitego (Majorana hortensis L.), mydlnicy lekarskiej (Saponaria officinalis L.), tymianku pospolitego (Thymus vulgaris L.), chmielu zwyczajnego (Humulus lupulus L.), tataraku
zwyczajnego (Acorus calamus L.), bylicy pio³un (Artemisia absinthium L.) i ruty
zwyczajnej (Ruta graveolens L.) silnie ograniczaj¹ ¿erowanie chrz¹szczy stonki
i istotnie obni¿aj¹ liczebnoœæ wylêgaj¹cych siê larw [48, 54]. Natomiast wyci¹g
z miodli indyjskiej (Azadirachta indica JUSS) powoduje wyraŸny spadek p³odnoœci,
a nawet sterylnoœæ samic tego owada [23].
Preparaty roœlinne u¿ywane s¹ równie¿ do walki ze szkodnikami magazynowymi.
Przechowywane produkty roœlinne mo¿na mieszaæ z wysuszonym zielem lub ca³ymi
roœlinami wytwarzaj¹cymi repelenty. W Indiach od wieków liœcie i nasiona miodli
indyjskiej s³u¿¹ do ochrony ¿ywnoœci przed szkodnikami magazynowymi [1].
Jednym z najwa¿niejszych szkodników magazynowych klimatu umiarkowanego
jest wo³ek zbo¿owy (Sitophilus granarius L.). Mo¿e on powodowaæ znaczne straty
przechowywanego ziarna zbó¿. Syntetyczne zwi¹zki chemiczne s³u¿¹ce do jego
zwalczania s¹ toksyczne dla ludzi i zwierz¹t domowych. Poza tym w ¿ywnoœci
pozostaj¹ martwe szkodniki, a ich usuniêcie wymaga du¿ych nak³adów pracy. Najsilniejsze dzia³anie antyfidantne dla wo³ka zbo¿owego maj¹ wyci¹gi z chabra pannoñskiego (Centaurea pannonica HEUFF.), chabra perukowego (Centaurea pseudophrygia C.A.MEY.), chabra karpackiego (Centaurea carpatica L.) i z³ocienia balsamicznego (Balsamita major DESF.). Najskuteczniej odstraszaj¹cymi owady repelentami s¹
olejki eteryczne: kminkowy, ja³owcowy i wrotyczowy [34]. Podobnie dzia³aj¹ proszki z k³¹czy tataraku zwyczajnego, pêdów i liœci bagna zwyczajnego (Ledum palustre
L.), liœci i kwiatostanów wrotycza pospolitego (Tanacetum vulgare L.), pêdów miêty
polnej (Mentha arvensis L.), nostrzyka ¿ó³tego (Melilotus officinalis LINDL.), kwiatostanów krwawnika pospolitego (Achillea millefolium L.). Dodatkowo obni¿aj¹ one
p³odnoœæ szkodnika [1, 24].
24
Lista roœlin stosowanych w postaci wyci¹gów, wywarów, naparów czy proszków
do zwalczania szkodliwych owadów obejmuje oko³o 40 gatunków nale¿¹cych do 17
rodzin [46]. S¹ wœród nich tytoñ szlachetny, z³ocieñ dalmatyñski, pietruszka zwyczajna (Petroselinum sativum L.), herbata chiñska (Camelia sinensis. L. KUNTZ.) czy
pasternak zwyczajny (Pastinaca sativa L.).
Jednym z najlepszych Ÿróde³ naturalnych insektycydów jest miodla indyjska
(Azadirachta indica JUSS.). Alkoholowe, acetonowe i wodne ekstrakty z owoców,
nasion i liœci, oleje otrzymane z nasion i tzw. neem cake (resztki nasion po wyciœniêciu
oleju) hamuj¹ wzrost i zak³ócaj¹ rozwój owadów. W Indiach wyci¹gi z suszonych nasion i liœci skutecznie chroni¹ uprawy przed szarañcz¹. Alkoholowe wyci¹gi odstraszaj¹ motyle Crocidolomia binotalis ZELLER od ¿erowania na kapuœcie, a s³onecznicê
orê¿ówkê (Helicoverpa armigera HÜBNER) od ¿erowania na kukurydzy [23].
Szerokie zastosowanie w walce ze szkodnikami owadzimi znalaz³ tytoñ szlachetny. Jego wodne ekstrakty chroni¹ roœliny przed atakiem mszyc. Proszki nikotynowe
chroni¹ roœliny kapustne miêdzy innymi przed pche³kami czy œmietk¹ kapuœcian¹
[29]. Jednak wysoka toksycznoœæ tego alkaloidu dla organizmów sta³ocieplnych,
a tak¿e trudne technicznie przygotowanie cieczy u¿ytkowej sprawi³y, ¿e obecnie
preparaty tytoniowe s¹ stosowane sporadycznie [7].
Zastosowanie w ochronie roœlin znalaz³o pyretrum proszek otrzymywany z drobno zmielonych koszyczków kwiatowych z³ocienia dalmatyñskiego (proszek dalmatyñski), z³ocienia ró¿owego (proszek perski), z³ocienia kaukaskiego (proszek kaukaski), z³ocienia marszalskiego, z³ocienia polnego. Sproszkowane koszyczki szybko
trac¹ swe w³aœciwoœci, dlatego sporz¹dza siê naftowe lub alkoholowe ekstrakty
kwiatów i nasyca nimi noœniki (np. talk). Wodne emulsje pyretryn stosuje siê do
ochrony plantacji warzyw przeciw mszycom, omacnicy byliczance, bielinkowi kapustnikowi i chrz¹szczom [29].
W obrocie handlowym znajduje siê szereg gotowych preparatów roœlinnych.
Przyk³adem jest Bioczos BR w postaci kostek, preparat zawieraj¹cy miazgê czosnku
(Allium sativum L.). Odstrasza takie szkodniki jak pche³ki i œmietki, po³yœnicê
marchwiankê i ró¿ne gatunki mszyc od upraw buraka æwik³owego, bobu i kopru.
Spruzit 04 EC oraz Spruzit DP s¹ preparatami zawieraj¹cymi pyretrynê roœlinnego
pochodzenia. Preparat Spruzit 04 EC zalecany jest do stosowania w uprawach
amatorskich do zwalczania miêdzy innymi mszyc, wciorniastków, g¹sienic zjadaj¹cych liœcie, kwieciaka jab³kowca (Anthonomus pomorum L.), kwieciaka malinowca
(Anthonomus rubi L.), kistnika malinowca (Byturus tomentosus DE GEER). Spruzit DP
s³u¿y do zwalczania szkodników warzyw. Margosan to preparat, którego g³ównym
sk³adnikiem jest ekstrakt z miodli indyjskiej [55].
Podstawow¹ zalet¹ biopreparatów jest ich wysoka selektywnoœæ, brak okresu
karencji i prewencji. Dzia³aj¹ wolniej ni¿ syntetyczne insektycydy, ale owady trudniej
siê na nie uodparniaj¹. Naturalne insektycydy szybko rozk³adaj¹ siê w œrodowisku,
zatem mog¹ byæ u¿ywane na krótki czas przed zbiorem plonu. Konieczne jest jednak
25
dok³adne przestrzeganie instrukcji stosowania. Niestety biopreparaty maj¹ tak¿e
wady: s¹ mniej trwa³e, rozk³adaj¹ siê pod wp³ywem œwiat³a s³onecznego (UV)
i ciep³a, a tak¿e dzia³aj¹ wolniej ni¿ insektycydy syntetyczne. Poza tym ich dostêpnoœæ jest czêsto ograniczona. Roœliny, z których s¹ pozyskiwane nie rosn¹ przez ca³y
rok. Istnieje równie¿ ograniczenie ich stosowania na szersz¹ skalê – substancje
czynne wystêpuj¹ w roœlinach w niewielkich iloœciach. Nie uœmiercaj¹ szkodników
natychmiast, dlatego roœliny mog¹ byæ jeszcze przez pewien czas uszkadzane. Je¿eli
konieczne jest dzia³anie natychmiastowe w przypadku masowej inwazji szkodnika,
ochrona mo¿e okazaæ siê niewystarczaj¹ca. Dlatego te¿ zalecane jest naprzemienne
stosowanie biopreparatu i œrodka chemicznego. Pozwala to ograniczyæ efekty uboczne stosowania chemii i jednoczeœnie uzyskaæ wiêksz¹ skutecznoœæ ochrony ni¿ przy
zastosowaniu samego biopreparatu [36, 38].
Naturalne, owadobójcze, substancje roœlinne mog¹ s³u¿yæ, jako wzorce dla produkcji syntetycznych insektycydów. S¹ one bardziej toksyczne, trwalsze, odporniejsze na œwiat³o i ciep³o, ni¿ naturalne insektycydy [7, 36]. W wielu krajach produkowane s¹ syntetyczne insektycydy zawieraj¹ce azadirachtynê lub jej pochodne (np.
Neemazal, Wellgre, Neemix, Neemcure, Azatin, NeemAzal-T/S) oraz zawieraj¹ce
pochodne nikotyny, np. 5-metylonornikotynê (m.in. Imidacloprid, Thiacloprid, Nitem
piran, Acetamiprid czy Thiamethoxan). Pyretryna równie¿ pos³u¿y³a za wzorzec do
syntezy syntetycznych pochodnych [23, 36] i obecnie znanych jest wiele preparatów,
w których substancjami czynnymi s¹ pochodne pyretryny (Pyramina, Neo-Pyramin,
Synthin, Bioallethrin, Sumitrin, Pydrin, Tribute, Bellmark, Ambush, Astro, Dragmet,
Flee, Prelude, Torpedo, Capture, Tradlex, Allethrin).
Wiêkszoœæ wyci¹gów czy proszków roœlinnych stosowanych, jako naturalne
insektycydy to mieszaniny, czasem wielu, ró¿nych zwi¹zków chemicznych. Preparaty roœlinne zawieraj¹, poza g³ówn¹ substancj¹ czynn¹, tak¿e inne zwi¹zki chemiczne, wspomagaj¹ce jej dzia³anie. Dlatego skuteczniej chroni¹ roœliny przed
owadami ni¿ poszczególne zwi¹zki chemiczne [51]. Naturalne insektycydy stanowi¹
znakomite uzupe³nienie dla takich sposobów walki za szkodnikami, jak wykorzystanie ich naturalnych wrogów czy pu³apek feromonowych [36].
Uprawa wspó³rzêdna
Uprawa na tym samym polu i w tym samym sezonie wegetacyjnym, dwóch lub
wiêcej gatunków roœlin nazywa siê upraw¹ wspó³rzêdn¹. Koncepcja uprawy wspó³rzêdnej powsta³a w wyniku braku wystarczaj¹cej powierzchni gruntów uprawnych [50].
Uprawa taka ma wiele zalet. Oprócz lepszego wykorzystania powierzchni, odpowiedni dobór roœlin zapewnia ochronê gleby przed erozj¹ oraz nadmiernym parowaniem wody [49]. Odpowiednio dobrane uk³ady roœlin mog¹ przyczyniæ siê do
os³abienia dzia³ania szkodliwych fitofagów [37]. W wielu przypadkach przyczyniaj¹
siê tak¿e do zwiêkszenia plonu i poprawy jego jakoœci [49].
26
W uprawie wspó³rzêdnej mo¿na wysiewaæ gatunki uprawne jak równie¿ roœliny
których obecnoœæ odstrasza szkodliwe owady [43, 50]. Wykorzystane zostaje zjawisko bezpoœredniego oddzia³ywania roœlin na owady polegaj¹ce na odstraszaniu fitofagów, zaburzeniu odnajdywania przez nie w³aœciwej roœliny ¿ywicielskiej lub przywabianiu entomofagów. Istniej¹ pewne ograniczenia stosowania upraw wspó³rzêdnych,
bowiem nie wszystkie roœliny znosz¹ swoje s¹siedztwo. Dlatego w planowaniu takich
upraw niezwykle wa¿ny jest dobór odpowiednich roœlin. Nie powinny one nale¿eæ do
jednej rodziny, poniewa¿ czêsto s¹ atakowane przez tego samego szkodnika i roœlina
odstraszaj¹ca nie spe³nia swojej roli. Poza tym nale¿y uwzglêdniæ brak wzajemnego,
ujemnego allelopatycznego oddzia³ywania oraz zró¿nicowanie systemu korzeniowego, które ogranicza konkurencjê o sk³adniki pokarmowe i wodê. Wa¿ne jest by
w trakcie uprawy roœliny nie zacienia³y siê wzajemnie, dlatego te¿ nale¿y uwzglêdniæ
ich wzrost i tempo rozwoju [50]. Zasada uprawy wspó³rzêdnej jest prosta: nale¿y tak
dobraæ gatunki, aby maksymalnie ograniczyæ konkurencjê i maksymalnie wykorzystaæ efekt ochronny. W praktyce stosowane s¹ ró¿ne kombinacje, które wypracowano
przez wiele lat metod¹ „prób i b³êdów”. Równie¿ wiele czasu poœwiêcono na
wybranie odpowiednich zestawieñ roœlin, które pomagaj¹ ograniczaæ liczebnoœæ
szkodliwych owadów.
Do ochrony upraw kapustnych przed atakami szkodników stosowanych jest wiele
gatunków roœlin. Olejki gorczyczne wydzielane przez roœliny kapustne s¹ atraktantem
dla motyli tantnisia krzy¿owiaczka (Plutella maculipennis CURT.). Wprowadzenie do
wspólnej uprawy roœlin wydzielaj¹cych inne zwi¹zki zapachowe, mo¿e znacznie
os³abiæ zdolnoœci poszukiwawcze tych motyli [50]. Na przyk³ad w uprawie z pomidorem (Lycopersicon esculentum MILL.) kapusta jest s³abiej uszkadzana przez g¹sienice
tantnisia krzy¿owiaczka i chrz¹szcze pche³ki krzy¿owej (Phyllotreta cruciferae
CURT.) [45]. Kapustê mog¹ chroniæ równie¿ zio³a np. sza³wia (Salvia officinalis L.)
i tymianek (Thymus vulgaris L.). które zmniejszaj¹ uszkodzenia powodowane przez
tantnisia krzy¿owiaczka [16]. Jako podsiew w miêdzyrzêdzia plantacji kapusty
mo¿na stosowaæ koniczynê bia³¹ (Trifolium repens L.) lub sporka polnego (Spergula
arvensis L.). Jest to skuteczny sposób ograniczania liczebnoœci szkodników takich
jak: mszyca kapuœciana (Brevicoryne brassicae L.), pche³ki i piêtnówka kapustnica
(Mamestra brassicae L.). Podsiew koniczyny ogranicza te¿ wystêpowanie wciornastka tytoniowego (Thrips tabaci LIND.) w uprawie kapusty i pora [50]. Marchew
ogrodowa (Daucus carota HOFFM.) i komosa bia³a (Chenopodium album L.) znacznie
ograniczaj¹ liczbê jaj œmietki kapuœcianej (Delia brassicae MEIG.) na kapuœcie
uprawianej w ich s¹siedztwie [19]. Z kolei zapach ambrozji bylicolistnej (Ambrosia
artemisifolia L.) os³abia inwazjê chrz¹szcza pche³ki krzy¿owej [37].
Mo¿na wymieniæ wiele innych przyk³adów skutecznych upraw wspó³rzêdnych.
Cebula (Allium cepa L.), uprawiana w rzêdach na przemian z marchwi¹, chroni j¹
przed po³yœnic¹ marchwiank¹ (Chamaepsila rosae FABRICIUS), marchew zaœ ogranicza wystêpowanie œmietki cebulanki (Delia antiqua MEIG). Takie s¹siedztwo zwiêk-
27
sza plon marchwi, jednak cebula plonuje s³abiej [49]. Liczebnoœæ wciornastków na
roœlinach pora (Allium porrum L.) uprawianych w monokulturze jest znacznie wiêksza ni¿ na roœlinach uprawianych wspó³rzêdnie z koniczyn¹ bia³¹ (Trifolium repens
L.), marchwi¹ czy fasol¹ (Phaseolus vulgaris L.) [43]. Olejek lawendy w¹skolistnej
(Lavandula angustifolia L.) skutecznie chroni uprawy rzepaku przed chowaczem
podobnikiem (Centorhynchus assimilis PAYK), chowaczem czterozêbnym (Centorhynchus quadridens MARSCH.) i chowaczem brukwiaczkiem (Centorhynchus napi
GYLL) [17]. Fasolê najskuteczniej chroni¹ koper ogrodowy (Anethum graveolens L.),
sza³wia lekarska i aksamitka wzniesiona [44]. Ta ostania odstrasza tak¿e stonkê
ziemniaczan¹ od roœlin ziemniaka [43].
Przedstawione przyk³ady stanowi¹ jedn¹ z mo¿liwoœci ograniczania liczebnoœci
agrofagów w uprawach roœlin, bez potrzeby stosowania w tym celu œrodków syntetycznych. Jednak, mimo wielu zalet, rzadko stosuje siê ten sposób ochrony roœlin
w wielkoobszarowych uprawach produkcyjnych. Uprawa wspó³rzêdna, na przemian
rzêdowa czy podsiew wykorzystywane s¹ g³ównie w gospodarstwach ekologicznych
oraz ogródkach przydomowych czy dzia³kowych. Jednak¿e, wraz ze wzrostem œwiadomoœci ekologicznej, nastêpuje dynamiczny rozwój rolnictwa zrównowa¿onego,
zgodnego z zasadami dobrej praktyki ochrony roœlin. D¹¿y siê do ograniczenia stosowania chemicznych metod ochrony i iloœci u¿ywanych agrochemikaliów. Wykorzystanie uprawy wspó³rzêdnej jest jednym ze sposobów realizacji tych za³o¿eñ [50].
Hodowla odpornoœciowa
jako alternatywa dla chemicznej ochrony roœlin
Odpornoœæ na uszkodzenia powodowane ¿erowaniem owadów zosta³a stwierdzona u wielu dzikich gatunków, a tak¿e odmian roœlin uprawnych. W œrodowisku
naturalnym szansê prze¿ycia maj¹ tylko genotypy odporne. Geny odpornoœci wyselekcjonowane w wyniku d³ugotrwa³ej adaptacji do okreœlonych warunków siedliskowych mog¹ byæ cennym materia³em wyjœciowym do hodowli roœlin uprawnych
[26]. Metoda ta mo¿e byæ równie¿ alternatywnym, wobec metod chemicznych i agrotechnicznych, sposobem walki ze szkodliwymi owadami [42]. Uprawa odmian
odpornych ogranicza nak³ady i podnosi efektywnoœæ produkcji rolnej. Stanowi jednak tylko jedno z ogniw integrowanego systemu zwalczania szkodników [11]. Niestety w pracach hodowlanych odpornoœæ na owady uwzglêdniana jest rzadko, zwykle
dopiero wtedy, gdy szkodnik powoduje znacz¹ce zmniejszenie plonu roœliny [5].
Podstaw¹ hodowli musi byæ znalezienie Ÿród³a odpornoœci. Odmiany lucerny
siewnej (Medicago sativa L.) o wysokiej zawartoœæ saponin (np. ‘Ladak’), stanowi¹
Ÿród³o odpornoœci na mszycê grochow¹ (Acyrthosiphon pisum HARRIS). Mimo ¿e
mszyca ta rzadko powoduje straty wiêksze ni¿ 5% plonu, jest jednak wa¿nym wektorem wirusów. Mszyce ¿eruj¹ce na odmianie odpornej tworz¹ tylko nieliczne kolonie,
a œmiertelnoœæ owadów jest wysoka [4].
28
Krzy¿uj¹c odmiany uprawne z gatunkami dzikimi mo¿na przenieœæ geny odpornoœci do odmian uprawnych [5]. Dzikie odmiany ziemniaka odporne na stonkê ziemniaczan¹ zawieraj¹ antyfidantne alkaloidy – demissynê, leptyny [21, 22]. W wyniku
krzy¿owania ziemniaka pospolitego z tymi gatunkami powstaj¹ roœliny, na których
rozwijaj¹ siê niep³odne samice stonki [12]. Niestety tego typu odpornoœci nie mo¿na
wykorzystaæ w praktyce hodowlanej, poniewa¿ alkaloidy pozostaj¹ce w bulwach s¹
toksyczne dla cz³owieka i zwierz¹t [21].
Przyk³adem skutecznego krzy¿owania oddalonego – miêdzyodmianowego jest
uzyskanie ogórka odpornego na przêdziorka chmielowca (Tetranychus urcicae KOCH)
[4]. Celem znalezienia Ÿród³a odpornoœci przebadano 800 odmian pochodz¹cych
z ca³ego œwiata. Tylko 9 z nich wytwarza³o gorzkie kukurbitacyny daj¹ce odpornoœæ
na tego szkodnika. Po skrzy¿owaniu z odmianami uprawnymi uzyskano odmiany
w pewnym stopniu odporne, bowiem odpornoœæ warunkowana jest poligenicznie.
Dziêki wyhodowaniu tych odmian mo¿na by³o ograniczyæ (o 1/2–2/3) liczbê koniecznych zabiegów ochrony chemicznej. Uprawa nowych odmian w szklarniach okaza³a
siê znacznie bardziej op³acalna od uprawy z zastosowaniem powszechnie znanej
ochrony biologicznej (zwalczania przêdziorka przez jego naturalnego wroga dobroczynka szklarniowego – Phytoseiulus pesimilis LIND).
W hodowli roœlin odpornych na owady bardzo ceniona jest antybioza zwi¹zana
z obecnoœci¹ substancji toksycznych [21]. Zjawisko to zosta³o wykorzystane w hodowli odmian ziemniaka odpornych na m¹twika ziemniaczanego (Heterodera rostochiensis WOLL.). Larwy inwazyjne tego szkodnika wnikaj¹ do korzeni odmian
odpornych, ale dalszy ich rozwój zostaje zahamowany i gin¹ nie osi¹gn¹wszy
dojrza³oœci p³ciowej. Liczba cyst zmniejsza siê o oko³o 90% [32].
W ostatnich latach trwaj¹ prace nad wyhodowaniem odmian charakteryzuj¹cych
siê odpornoœci¹ na kilka gatunków szkodników. Klasyczne metody hodowlane wymagaj¹ jednak d³ugiego czasu oraz prowadzenia testów polowych w ró¿nych warunkach [42]. Nowoczesn¹ metod¹ pozyskiwania odpornych genotypów jest transformacja genetyczna. Jest to jedna z metod in¿ynierii genetycznej polegaj¹ca na identyfikacji i izolacji genów warunkuj¹cych odpornoœæ oraz wprowadzaniu ich do genomu
roœlin o cennych cechach u¿ytkowych. Wykorzystanie transformacji do wprowadzania do komórek roœlinnych, genów odpornoœci na owady, sta³o siê jednym z pierwszych
zastosowañ biotechnologii w hodowli roœlin uprawnych [42]. In¿ynieria genetyczna
pozwala na znacznie szybsze ni¿ tradycyjna hodowla uzyskiwanie odmian odpornych. Uzyskuje siê roœliny, które „broni¹ siê same” przed szkodnikami produkuj¹c
antyfidanty, repelenty i toksyny [6]. W transformacjach prowadz¹cych do odpornoœci
na szkodniki mog¹ znaleŸæ zastosowanie geny warunkuj¹ce syntezê inhibitorów
proteaz (fenole, taniny), neurotoksyn oraz hormonów [26]. Mo¿liwoœci w tym
zakresie s¹ du¿e [4].
Uprawa odmian odpornych jest jedn¹ najnowoczeœniejszych metod walki ze
szkodnikami. Cechuje siê selektywnoœci¹ (zapewnia ochronê przed szkodliwymi
29
agrofagami bez ujemnego wp³ywu na organizmy po¿yteczne), kumulatywnoœci¹
(ogranicza liczebnoœæ populacji szkodnika tak¿e w nastêpnych pokoleniach), ca³kowit¹ nieszkodliwoœci¹ dla œrodowiska, ludzi i zwierz¹t. Jest to metoda tania i ³atwa
w u¿yciu, niewymagaj¹ca dodatkowych nak³adów i stosowania odrêbnej technologii.
Jeœli nie jest wystarczaj¹co skuteczna mo¿na j¹ ³¹czyæ z innymi metodami ochrony
roœlin [4].
Uzyskanie odmian odpornych jest tym szybsze, im dok³adniejsza jest wiedza, jaki
zwi¹zek chemiczny odpowiedzialny jest za dany rodzaj odpornoœci [12].
Podsumowanie
Przedstawione w pracy dzia³anie naturalnych substancji roœlinnych na owady
stanowi zaledwie niewielk¹ czêœæ tego zagadnienia. Liczba tych zwi¹zków siêga tysiêcy, zatem niemo¿liwe jest zbadanie ich dzia³ania w stosunku do równie licznej grupy szkodliwych owadów. Dlatego te¿ wiadomoœci o ich dzia³aniu s¹ fragmentaryczne.
Naturalne insektycydy stosowane w ochronie roœlin uprawnych maj¹ wiele zalet.
Niestety dotychczas znalaz³y one zastosowanie tylko w ma³ych gospodarstwach. Ze
wzglêdu na niedu¿¹ trwa³oœæ w œrodowisku i ograniczon¹ mo¿liwoœæ produkcji, która
wymaga odpowiedniego przerobu surowca roœlinnego, u¿ycie ich na szerok¹ skalê
jest trudne. Mog¹ jedynie s³u¿yæ, jako uzupe³nienie metod chemicznych. Postêp
w dziedzinie chemii umo¿liwi³ syntezê pochodnych naturalnych zwi¹zków i ich
produkcjê w ¿¹danych przez odbiorców iloœciach, co mo¿e przyczyniæ siê do wzrostu
popularnoœci tej metody ochrony.
W przypadku wielkoobszarowych upraw produkcyjnych, uprawa wspó³rzêdna,
pomimo wielu zalet, jest metod¹ równie¿ rzadko stosowan¹. Wykorzystywana jest
g³ównie w gospodarstwach ekologicznych. Jednak dynamiczny rozwój rolnictwa
zrównowa¿onego, w którym d¹¿y siê do ograniczenia stosowania metod ochrony
chemicznej i iloœci u¿ywanych agrochemikaliów stwarza mo¿liwoœæ rozpowszechnienia tej metody uprawy.
Wydaje siê, ¿e hodowla odpornoœciowa roœlin z u¿yciem allelozwi¹zków mo¿e
byæ równie¿ alternatywnym sposobem walki ze szkodnikami roœlin uprawnych
wobec metod chemicznych i agrotechnicznych. Jest ona niestety trudna, poniewa¿
odpornoœæ typu antybiozy czy antyksenozy jest warunkowana poligenicznie.
Z pewnoœci¹, w najbli¿szej przysz³oœci, zostan¹ znalezione, wyizolowane i zbadane nowe zwi¹zki o nieznanym dot¹d dzia³aniu. Badanie roœlinnych zwi¹zków
owadobójczych jest konieczne ze wzglêdu na wci¹¿ rosn¹c¹ potrzebê stosowania
naturalnych metod ochrony roœlin. Odkrycie nowych zwi¹zków wykazuj¹cych w³aœciwoœci antyfidantne, repelentne lub toksyczne mo¿e wp³ywaæ na udoskonalenie tych
metod. Ka¿da nowa substancja czy metoda zmniejszaj¹ca niebezpieczeñstwo ska¿enia œrodowiska pestycydami to kolejny sukces w praktyce zwalczania szkodników.
30
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
Banasik K., Ignatowicz S. 1995. Zastosowanie proszków roœlinnych w ochronieproduktów magazynowych
przed szkodnikami. Mat. XXXV Sesji Nauk. IOR. 16–17 lutego, Poznañ, cz. I – Referaty: 160–163.
Becerra J.X., Venable D.L. 1990. Rapid-Terpene-Bath and „Squirt-Gun” Defense in Bursera schlechtendalii
and the Counterploy of Chrysomelid Beetles. Biotropica (3): 320–323.
Becerra J.X., Venable D.L., Evans P.H., Bowers W.S. 2001. Interactions between chemical and mechanical
defenses in the plant genus Bursera and their implications for herbivores. American Zoologist (4): 865–876.
Boczek J. 1992. Niechemiczne metody zwalczania szkodników roœlin. Wydawnictwo SGGW: 72–77, 90,
113–115, 128.
Boczek J. 1995. Nauka o szkodnikach roœlin uprawnych. Wydawnictwo SGGW: 61–62.
Boczek J. 1997. Wykorzystanie in¿ynierii genetycznej dla zwalczania szkodników. Postêpy w Ochronie Roœlin
37(1): 281.
Burgie³ Z.J. 2008. Czy preparaty roœlinne zast¹pi¹ syntetyczne pestycydy?. VIII Polskie Sympozjum: Proekologiczne Pestycydy. 16 – 20 czerwca, Suche k. Poronina: 117, 123.
Ciepielewska D., Nietupski M. 2003. Ochrona ekosystemów przed szkodnikami. Wydawnictwo Uniwersytetu
Warmiñsko-Mazurskiego, Olsztyn: 82–84.
Czerwiñski W. 1977. Fizjologia roœlin. PWN Warszawa: 256–277.
Daniewski W.M., Gomu³ka M., Anczewski W., Truszewska D., B³oszyk E., Dró¿d¿ B. 1996. Constituents of
some Meliaceae plants and their antifeedant activity. Pol. J. Chem. (70): 1265.
D¹browski Z.T. 1970. Wybór roœlin ¿ywicielskich przez owady i zwi¹zana z tym hodowla odpornych odmian
roœlin uprawnych. Post. Nauk Rol. 4: 61.
D¹browski Z.T. 1970. Biochemiczne podstawy antybiotycznoœci roœlin uprawnych na owady. Post. Nauk Rol.
5(31): 45–47.
D¹browski Z.T. 1973. Cechy roœlin decyduj¹ce o ich atrakcyjnoœci lub repelentnoœci dla roœlino¿ernych
roztoczy i owadów. Wiadomoœci Ekologiczne XIX (3): 266.
D¹browski Z.T. 1988. Podstawy odpornoœci roœlin na szkodniki. PWRiL, Warszawa: 76–78.
Dêbski B., Waœk K. 2003. Pyretryny – naturalne insektycydy – ich pochodzenie, charakterystyka i mo¿liwoœci
u¿ytkowania. Biologiczna Medycyna Weterynaryjna (3–4); 85–88.
Dover J.W. 1986. The effect of labiate herbs and white clover on Plutella xylostellaovi. Ent. Exp. Appl. (42):
243–247.
Duda M., Dubert F. 2007. Efektywnoœæ zastosowania roœlin lawendy w¹skolistnej (Lavandula angustifolia L.)
do ograniczania liczebnoœci szkodliwych owadów w uprawach rzepaku ozimego (Brassica napus L.)”. Postêpy
w Ochronie Roœlin (4): 128–130.
Finch S., Billiald H., Collier R.H. 2003. Companion planting – do aromatic plants disrupt host – plant finding by
the cabbage root fly and the onion fly more effectively than non-aromatic plants. Entomologia Experimentalis et
Applicata (109): 183–195.
Finch S., Collier R.H. 2000. Host-plant selection by insects a theory based on ‘appropriate/’inappropriate
landing by pest insects of cruciferous plants. Entomol. Exp. Appl. (96): 91–100.
Gabryœ B., Dancewicz K., Ratuœ B., Boratyñski F., Wawrzeñczyk C. 2008. Wp³yw laktonów terpenoidowych
na zachowanie mszycy brzoskwiniowej Myzus persicae (SULZ.) podczas zasiedlania roœlin. VIII Polskie
Sympozjum: Proekologiczne Pestycydy. 16 – 20 czerwca, Suche k/Poronina: 14.
Grzesiuk S., Koczowska I., Górecki R.J. 1999. Fizjologiczne podstawy odpornoœci roœlin na choroby.
Wydawnictwo ART: 255, 262, 265.
Harborne J.B. 1993. Introduction to Ecological Biochemistry. Academic Press, London: 94: 169–180.
Ignatowicz S. 1995. Insektycydy otrzymane z miodli indyjskiej (Azadirachta indica A. JUSS), ich aktywnoœæ
owadobójcza oraz skutki uboczne stosowania. Pestycydy (3): 37–44.
Ignatowicz S. 1997. Odstraszaj¹ce oddzia³ywanie proszków z nostrzyka bia³ego i ¿ó³tego na wo³ka zbo¿owego
i ry¿owego. Postêpy w Ochronie Roœlin (2): 46–49.
Koz³owska M. 2007. Fizjologia roœlin. PWRiL, Poznañ: 266–273, 282–283.
Koz³owska M., Konieczny G. 2003. Biologia odpornoœci roœlin na patogeny i szkodniki. Wydawnictwo AR,
Poznañ: 89–90, 117, 152–153.
Kubo I., Lee Y., Pettei M., Pilkiewicz F., Nakanishi K. 1976. Potent Army Worm Antifeedants from the East
African Warburgia Plants. J.Chem. Soc. Chem. Commun.: 1013–1014.
31
[28] Leszczyñski B. 1996. Kurs praktyczny w zakresie chemicznych interakcji owady – roœliny na przyk³adzie
mszyc (Aphidoidea). WSRP– Siedlce: 30–40.
[29] Lipa J.J. 1962. Insektycydy pochodzenia roœlinnego. Post. Nauk Rol. (6): 99–107.
[30] £uczak I. 1998. Biologiczne podstawy odpornoœci buraka cukrowego na œmietkê– Pegomyia betae CURT.
i mszycê burakow¹ – Aphis fabae SCOP.”. Zeszyty Naukowe AR w Krakowie: 10–13.
[31] Maienfisch P., Kobel W., Rindlisbacher A., Senn R. 1998. Nicotine insecticides and the nicotinoid acetylocholine
receptors. J. Casida, I.Yamamoto (red.). Verlag Tokyo: 99–128.
[32] Miêtkiewski R. (red.) 1994. Zarys nauki o szkodnikach roœlin. Cz. I WSRP– Siedlce: 108, 172–177.
[33] Mordue A.J. 1998. Azadirachtin – a review of its mode of action in insects. Proc. Practice Oriented Results
VIII: 1–4.
[34] Nawrot J. 1983. Podstawy do zwalczania wo³ka zbo¿owego (Sitophilus granarius L.) (Coleoptera:
Curculionidae) przy u¿yciu naturalnych zwi¹zków chemicznych wp³ywaj¹cych na zachowanie siê chrz¹szczy.
Prace Naukowe IOR Poznañ XXIV (2): 172–193.
[35] Oprycha³owa J. 1994. Wybrane dzia³y ekologii owadów z uwzglêdnieniem tematyki dotycz¹cej ochrony
œrodowiska rolniczego. Wydawnictwo Uniw. Opolskiego, Opole: 107–108.
[36] Orzeszko-Rywka A., Rochalska M. 2006. Naturalne œrodki ochrony roœlin. Naturalne insektycydy. Post. Nauk
Rol. (4): 3–14.
[37] Ostroumow S.A. 1992. Wprowadzenie do ekologii biochemicznej. PWN, Warszawa: 82–83.
[38] Paruch E. 2001. Naturalne i syntetyczne antyfidanty owadów. Czêœæ I. Wiadomoœci Chemiczne 55(1–2): 96–98.
[39] Paruch E. 2001. Naturalne i syntetyczne antyfidanty owadów. Czêœæ II. Wiadomoœci Chemiczne 55(1–2):
128–129.
[40] Rees S.B., Harborne J.B. 1985. The role of sesquiterpene lactones and phenolics in the chemical defence of the
chicory plant. Phytochemistry (24): 2225.
[41] Schmutz E., Warren B. 1999. Natural Insect Control. Brooklyn Garden Inc. Brooklyn: 19–32.
[42] Simlat M. 2005. Biochemiczne i molekularne podstawy odpornoœci roœlin na szkodniki. Monografia Ochrona
Œrodowiska Naturalnego w XXI wieku – nowe wyzwania i zagro¿enia: 7–14.
[43] Stawicka J., Szymczak-Pi¹tek M., Wieczorek J. 2006. Wybrane zagadnienia ekologiczne. Wyd. SGGW
Warszawa: 108–116.
[44] Szafirowska A., Ko³osowski S. 2008. Wykorzystanie allelopatycznych w³aœciwoœci roœlin w uprawie warzyw.
Problemy In¿ynierii Rolniczej (1): 120–121.
[45] Talekar N.S., Lee S.T., Huang S.W. 1986. Intercropping and modification of irrigation method for the control of
diamondback moth. Diamondback Moth Management: Proceedings of the First International Workshop.
Shanhua, Taiwan, AVRDC: 145–155.
[46] Wasina A. 1987. Wykorzystanie roœlin do zwalczania szkodników w sadach i ogrodach. PWRiL. Warszawa:
1–78.
[47] Wawrzyniak M. 1996. Ocena dzia³ania wybranych ekstraktów roœlinnych na bielinka kapustnika (Pieris
brassicae L., Lepidoptera, Pieridae). ATR w Bydgoszczy. Rozprawy (70): 8, 47–53.
[48] Wawrzyniak M., Lamparski R. 2007. Ocena dzia³ania wyci¹gów z wybranych roœlin zielarskich na ¿erowanie
i rozwój stonki ziemniaczanej (Leptinotarsa decemlineata SAY.). Postêpy w Ochronie Roœlin (4): 255–258.
[49] Wiech K. 2000. Uprawa wspó³rzêdna w integrowanej produkcji warzyw. Ochrona Roœlin (9): 33–34
[50] Wiech K., Ka³muk J. 2005. Uprawy wspó³rzêdne sposobem na urozmaicenie agrocenoz i zmniejszenie zu¿ycia
pestycydów. Monografia Ochrona Œrodowiska Naturalnego w XXI wieku – nowe wyzwania i zagro¿enia:
126–137.
[51] Wiesbrook M.L. 2000. Are natural insecticides safer and better than conventional insecticides. Pesticide Review
(17): 1–9.
[52] Witkowski W. 1972. Badania nad owadobójczym dzia³aniem czosnku (Allium sativum L.) przeciwko stonce
ziemniaczanej (Leptinotarsa decemlineata SAY.). Biuletyn Instytutu Ochrony Roœlin (54): 365–368.
[53] Wyrostkiewicz K. 1984. Antyfidanty – substancje hamuj¹ce ¿erowanie owadów – szkodników roœlin. Wszechœwiat (7–8): 166–167.
[54] Wyrostkiewicz K. 1992. Wp³yw wyci¹gów z wybranych roœlin na ¿erowanie i rozwój stonki ziemniaczanej –
Leptinotarsa decemlineata SAY. (Coleoptera, Chrysomelidae). ATR w Bydgoszczy. Rozprawy (53): 42–47.
[55] Wyrostkiewicz K. 1995. Mo¿liwoœæ zastosowania wyci¹gów roœlinnych do ochrony ziemniaków przed stonk¹
ziemniaczan¹ (Lepinotarsa decemlineata SAY.). Pestycydy (3): 17–21.
32
Using of plant allomones to protection
of cultivated crops from harmful insects
Key words: natural insecticides, inter-cropping, resistance breeding,
allelopathic substances, secondary metabolite, allomones,
antifeedant, repellents, poisons
Summary
Plants produce specific chemical substances against the pests. This compounds
could be an alternative to synthetic chemicals used for protection of cultivated plants.
Plants produce allelopathic substances which might be also used as potential source
for breeding of resistant plants. Presented paper illustrates the possibility of using
chemical compounds produced by plant for protection of cultivated plants from the
harmful insects.
nr 3/2010: 33–48
Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów
Katarzyna Machowina, Wojciech K. Œwiêcicki
Instytut Genetyki Roœlin Polskiej Akademii Nauk
60-479 Poznañ, ul. Strzeszyñska 34
S³owa kluczowe: Lupinus, alkaloidy
Wstêp
Alkaloidy s¹ zwi¹zkami organicznymi pochodzenia roœlinnego, zawieraj¹cymi
uk³ady heterocykliczne z co najmniej jednym atomem azotu w pierœcieniu, który
nadaje im charakter zasadowy. Wystêpuj¹ one w ró¿nych gatunkach roœlin, ale czêœæ
z nich otrzymuje siê tak¿e syntetycznie. Istniej¹ równie¿ zwi¹zki, które zaliczane s¹
do alkaloidów, a nie spe³niaj¹ wszystkich warunków ogólnej definicji (np. kolchicyna
i kapsaicyna – nie zawieraj¹ azotu w uk³adzie heterocyklicznym i nie maj¹ charakteru
zasadowego, a salamandryna jest pochodzenia zwierzêcego – wystêpuje u Salamandra maculosa L.) [7].
Alkaloidy wystêpuj¹ g³ównie w roœlinach wy¿szych w postaci soli kwasów
organicznych, na przyk³ad kwasu cytrynowego, jab³kowego lub szczawiowego.
Rzadziej wystêpuj¹ w postaci soli z kwasami nieorganicznymi. Alkaloidy w postaci
soli rozpuszczaj¹ siê w soku komórkowym. W nielicznych roœlinach s¹ one po³¹czone
z cukrami lub garbnikami (glikoalkaloidy, garbnikany alkaloidów). Najliczniej wystêpuj¹ u roœlin z rodzin: Apocynaceae, Papaveraceae, Ranunculaceae i Solanaceae.
Wystêpowanie alkaloidów stwierdzono tak¿e u grzybów (np. Claviceps purpurea),
paprotników z rodzaju Lycopodium i u nagozal¹¿kowych w rodzajach: Taxus, Ephedra
i w rodzinie Cephalotaxaceae [7].
Alkaloidy gromadzone s¹ w okreœlonych czêœciach roœliny, na przyk³ad chinina
wystêpuje w korze, kokaina w liœciach, strychnina i brucyna w nasionach, a morfina
w ³odygach i owocach (makówkach). Nasiona maku nie zawieraj¹ alkaloidów, s¹ wiêc
bezpiecznym surowcem spo¿ywczym. Rzadko spotyka siê alkaloidy w drewnie. Zwykle zwi¹zki te nie wystêpuj¹ w du¿ych stê¿eniach – czêœci roœlin zawieraj¹ce powy¿ej 1%
zwi¹zku uwa¿ane s¹ za dobre ich Ÿród³o. Wyj¹tkowo zdarza siê, ¿e stê¿enie alkaloidu
bywa wiêksze, na przyk³ad zawartoœæ chininy w korze niekiedy przekracza 10% suchej
34
K. Machowina, W.K. Œwiêcicki
masy. Wiêkszoœæ alkaloidów wystêpuje jednak na znacznie ni¿szym poziomie –
rzêdu u³amka procenta. Zawartoœæ alkaloidów w obrêbie gatunku zale¿y od rejonu,
klimatu, pory roku, dnia, stopnia dojrza³oœci, a tak¿e od odmiany [15].
Wiêkszoœæ alkaloidów to substancje krystaliczne, bezbarwne i nielotne. Tylko
nieliczne z nich maj¹ konsystencjê p³ynn¹, np. pilokarpina, czy arekolina [7]. Alkaloidy trudno rozpuszczaj¹ siê w wodzie, natomiast bardzo dobrze w rozpuszczalnikach organicznych. Alkaloidy w postaci soli znacznie ³atwiej rozpuszczaj¹ siê
w wodzie. Wiele z nich wykazuje czynnoœæ optyczn¹. Dominuj¹c¹ form¹ jest postaæ
lewoskrêtna, która wp³ywa na zwiêkszenie aktywnoœci fizjologicznej tych zwi¹zków
w porównaniu z form¹ prawoskrêtn¹ i mieszanin¹ racemiczn¹ [7, 23].
Podzia³ alkaloidów i ich biosynteza
Alkaloidy w³aœciwe maj¹ atom azotu w pierœcieniu heterocyklicznym. Ich prekursorami s¹ aminokwasy lub aminy biogenne. Przyk³adem tego typu alkaloidu jest
papaweryna. Zwi¹zki te stanowi¹ najwiêksz¹ grupê alkaloidów.
Protoalkaloidy maj¹ atom azotu w ³añcuchu bocznym. Powstaj¹ tak¿e z aminokwasów lub amin biogennych. Do tej grupy zalicza siê np. efedrynê i meskalinê.
Pseudoalkaloidy s¹ zasadami roœlinnymi, których azot nie pochodzi od aminokwasów, lecz zosta³ wbudowany w trakcie biosyntezy do istniej¹cego ju¿ szkieletu.
Ich prekursorami s¹ np. irydoidy, sterydy i terpeny. Alkaloidem z tej grupy jest
kolchicyna [7, 22].
Ogromny rozwój metod i technik analitycznych pozwoli³ na szersze mo¿liwoœci
wyodrêbnienia substancji naturalnych z roœlin. W latach 50 XX wieku znano 2233
alkaloidy wyizolowane z 3761 gatunków roœlin, natomiast 20 lat póŸniej znano ju¿
ponad 5000 alkaloidów obecnych w 7000 gatunkach roœlin. Do koñca lat 90. ubieg³ego wieku wykryto i poznano ponad 15 000 zwi¹zków zaliczanych do tej grupy [15].
Tak du¿a ich liczba wymaga³a zastosowania precyzyjnej klasyfikacji. Alkaloidy
mo¿na sklasyfikowaæ wed³ug pochodzenia (np. alkaloid tojadu, alkaloid opium) lub
budowy chemicznej [8].
Podzia³ alkaloidów ze wzglêdu na budowê chemiczn¹
l
l
l
l
l
l
Alkaloidy zawieraj¹ce atom azotu w pierœcieniu heterocyklicznym:
alkaloidy tropanowe – estry alkoholi tropanowych z kwasami aromatycznymi lub
alifatycznymi,
alkaloidy chinolinowe – zawieraj¹ w cz¹steczce uk³ad chinoliny,
alkaloidy izochinolinowe – zawieraj¹ w cz¹steczce uk³ad izochinoliny,
alkaloidy chinolizydynowe – zawieraj¹ w cz¹steczce uk³ad chinolizydyny,
alkaloidy indolowe – zawieraj¹ w cz¹steczce azot w uk³adzie heterocyklicznym
piêciocz³onowym (pochodne indolu i dihydroindolu),
alkaloidy pochodne ergoliny,
35
l
alkaloidy pirolizydynowe – estry aminoalkoholi zawieraj¹cych uk³ad pirolizydyny z kwasami alifatycznymi,
l alkaloidy purynowe – pochodne puryny,
l alkaloidy imidazolowe – zawieraj¹ uk³ad imidazolu,
l alkaloidy pirydynowe – zawieraj¹ uk³ad pirydyny,
l alkaloidy piperydynowe – zawieraj¹ uk³ad piperydyny,
l alkaloidy terpenowe – zasady terpenowe, zawieraj¹ce azot w pierœcieniu,
l alkaloidy steroidowe – zawieraj¹ uk³ad steroidowy z dodatkowym pierœcieniem
z azotem.
Alkaloidy zawieraj¹ce atom azotu poza uk³adem cyklicznym:
l pochodne tropolonu,
l aminy aromatyczne,
l miny alifatyczne,
l pochodne guanidyny,
l alkaloidy terpenowe zawieraj¹ce azot poza uk³adem cyklicznym [9].
Prekursorami do biosyntezy alkaloidów s¹ aminokwasy (tab. 1). W przypadku
alkaloidów chinolizydynowych, które zwane s¹ tak¿e „alkaloidami ³ubinowymi”
(g³ównym Ÿród³em s¹ ³ubiny o wysokiej ich zawartoœci, tzw. „gorzkie”), prekursorem
jest lizyna.
Tabela 1. Przyk³ady prekursorów alkaloidów [22]
Aminokwas
lizyna
ornityna
tyrozyna
tryptofan
histydyna
Grupa alkaloidów
chinolizydynowe, piperydynowe, indolizydynowe
tropanowe, pirolidynowe, pirolizydynowe
izochinolinowe, benzyloizochinolinowe
indolowe, chinolinowe
imidazolowe
Podstaw¹ syntezy alkaloidów chinolizydynowych (rys. 1) jest konwersja lizyny (1)
do kadaweryny (2). Wed³ug najnowszych danych eksperymentalnych konwersja jest
osi¹gniêta za pomoc¹ fosforanu pirydoksalu, podczas dekarboksylacji lizyny. Kadaweryna przekszta³ca siê nastêpnie w zasadê Schiffa – D1-piperydeinê (3) przy udziale
oksydazy diaminowej. Zachodz¹ tak¿e cztery podrzêdne reakcje: reakcja typu aldolowego, hydroliza iminy do aldehydo-aminy, utleniaj¹ca deaminacja i znowu tworzenie
zasady Schiffa. Podczas tego etapu z D1-piperydeiny jest syntetyzowana lupinina, alkaloid bicykliczny (4). G³ówn¹ drog¹ syntezy alkaloidów chinolizydynowych jest tworzenie kolejnej zasady Schiffa, do czego jest potrzebna druga cz¹steczka kadaweryny
lub D1-piperydeiny. Na tym etapie ze sprzê¿onej cz¹steczki zawieraj¹cej kation na
atomie azotu (5), która powsta³a z po³¹czenia dwóch cz¹steczek D1-piperydeiny, tworz¹
siê alkaloidy tetracykliczne. Zwi¹zek nr 5 jest przekszta³cany nastêpnie w dwóch
kierunkach. Tworzy siê sparteina (6) i lupanina (7) – dwa podstawowe alkaloidy
36
NH2
NH2
NH2
NH2
CO2H
1
2
tworzenie zasady Schiffa
H
OH
CHO
H
+
N
N
3
4
tworzenie zasady Schiffa
H
+
N
+
N
5
H
H
N
N
N
H
NH
N
H
O
6
H
N
N
O
H
H
O
7
NH
8
N
9
H
N
H
H
N
OH
O
11
Rysunek1.1. Biosynteza
Biosynteza alkaloidów
Rysunek
alkaloidów chinolizydynowych
chinolizydynowych[1].
[1]
O
10
N
H
CH2
37
chinolizydynowe. Sparteina mo¿e byæ przekszta³cona w tricykliczny alkaloid – cytyzynê (8), przez odszczepienie czterech atomów wêgla. Z lupaniny, w dalszych etapach syntezy, mog¹ siê tworzyæ: angustifolina (9), a-izolupanina (10) i 13a (OH)lupanina (11).
Ta droga syntezy pokazuje, ¿e pierwszym alkaloidem chinolizydynowym, jaki siê
tworzy jest lupinina, a nastêpnie powstaje lupanina i sparteina. Wczeœniejsze dane
literaturowe podawa³y, ¿e pierwszymi syntetyzowanymi zwi¹zkami by³y alkaloidy
tetracykliczne: sparteina i lupanina [1].
Udzia³ oksydazy diaminowej w konwersji kadaweryny jest bardziej prawdopodobny, ni¿ udzia³ syntazy oksosparteinowej, o której by³a mowa we wczeœniejszej
literaturze [1]. Biosynteza alkaloidów zachodzi w zielonych czêœciach roœlin. G³ównym miejscem syntezy s¹ liœcie, a dok³adniej stroma chloroplastów, sk¹d utworzone
alkaloidy s¹ nastêpnie transportowane do pozosta³ych czêœci roœliny [4, 17, 29].
Znaczenie alkaloidów i ich rola w œwiecie roœlin
Alkaloidy wykazuj¹ silne dzia³anie fizjologiczne na organizmy ludzkie i zwierzêce. Charakterystyczne dla tych zwi¹zków pod wzglêdem dzia³ania na organizm
zwierzêcy jest to, ¿e przewa¿nie w ma³ych iloœciach wykazuj¹ dzia³anie lecznicze,
natomiast w wiêkszych stê¿eniach s¹ silnymi truciznami. Przyk³adem mo¿e byæ
strychnina, która jest siln¹ trucizn¹. Atakuje ona uk³ad nerwowy, powoduje silne i bardzo bolesne skurcze wszystkich miêœni, poczynaj¹c od miêœni szyi i twarzy, a nastêpnie pora¿ane s¹ kolejno nogi i ramiona. Œmieræ nastêpuje wskutek uduszenia
wywo³anego skurczem miêœni oddechowych. Dawka œmiertelna wynosi od 30 do
100 mg. W ma³ych dawkach (2–3 mg) strychnina wykazuje pozytywne dzia³anie,
gdy¿ zwiêksza percepcjê wra¿eñ zmys³owych – wyostrza wzrok, s³uch, polepsza
poczucie smaku, wêchu, uczula na dotyk, poprawia samopoczucie, uaktywnia fizycznie i psychicznie [10].
Nastêpuj¹ce alkaloidy wykazuj¹ dzia³anie lecznicze:
l Efedryna dzia³a pobudzaj¹co, powoduje wzrost ciœnienia krwi, przyspiesza czynnoœæ serca, zwê¿a obwodowe naczynia krwionoœne i rozszerza oskrzela. Stosowana jest zapobiegawczo w dychawicy oskrzelowej i w bloku przedsionkowo-komorowym.
l Kofeina dzia³a pobudzaj¹co na oœrodkowy uk³ad nerwowy, polepsza procesy
kojarzeniowe, zmniejsza zmêczenie, sennoœæ, rozszerza naczynia mózgowe i wieñcowe. Stosowana jest w lecznictwie do wzmocnienia akcji serca, w migrenach,
stanach zmêczenia, w zatruciach narkotykami i alkoholem. W wiêkszych dawkach
(pow. 0,5 g) powoduje podniecenie, przyspieszone bicie serca, a nawet skurcze
tê¿cowe. Przy zatruciu powoduj¹cym hamowanie czynnoœci oœrodka oddechowego stosuje siê iniekcje zawieraj¹ce kofeinê w dawce 100–250 mg.
38
l
l
l
l
l
Atropina wykazuje dzia³anie rozkurczowe na miêœnie g³adkie, rozszerza Ÿrenicê
oka, hamuje wydzielanie potu, œliny, œluzu.
Ergotamina wywo³uje skurcze miêœni g³adkich naczyñ, a tak¿e skurcze miêœni
g³adkich macicy, co wykorzystywane by³o niegdyœ do u³atwiania porodów.
Ajmalina przywraca w³aœciwy rytm serca,
Rezerpina obni¿a ciœnienie krwi oraz dzia³a uspokajaj¹co,
Sparteina wykazuje zdolnoœæ do pobudzania oœrodka oddechowego, zwalniania
czynnoœci serca, zmniejszania wra¿liwoœci miêœni na impulsy. Stosowana jest
w leczeniu nerwicy serca, zaburzeñ miarowoœci serca, niep³odnoœci kobiet.
l
Dzia³anie toksyczne na organizm ludzki wykazuj¹ nastêpuj¹ce alkaloidy:
Nikotyna – ostre zatrucie powoduje przejœciowy wzrost ciœnienia krwi i przyspieszenie oddechu, a nastêpnie dochodzi do spadku ciœnienia i bezdechu.
Tubokuraryna powoduje pora¿enie miêœni zewnêtrznych oka, twarzy, szyi,
brzucha, koñczyn, miêœni miêdzy¿ebrowych i przepony.
Koniina jest bardzo siln¹ trucizn¹, wch³ania siê przez skórê i b³ony œluzowe
powoduje parali¿ nerwów ruchu (pora¿a miêœnie szkieletowe), w wiêkszych
dawkach powoduje œmieræ wskutek parali¿u oœrodka oddechowego [10, 11].
Anagiryna (g³ówny alkaloid u Lupinus latifolius) to silna trucizna. Wykazuje
efekt mutagenny i teratogenny. Stwierdzono tak¿e toksyczny wp³yw anagiryny na
organizm ludzki. We wrzeœniu 1980 roku w pó³nocno-zachodniej Kalifornii
urodzi³o siê niemowlê, u którego wyst¹pi³ szereg deformacji charakteryzuj¹cych
siê skrzywieniem koœci ³okciowych, brakiem kciuków oraz p³etwiastymi palcami
u r¹k. Prawdopodobn¹ przyczyn¹ wyst¹pienia tych deformacji by³o wystawienie
macicy na dzia³anie anagiryny znajduj¹cej siê w diecie matki, wynikaj¹ce z przyjmowania przez ni¹ koziego mleka. Zwierzêta te pas³y siê na obszarze, gdzie
wystêpowa³y stanowiska L. latifolius. Wysoka zawartoœæ anagiryny u tego gatunku (86% ca³kowitej zawartoœci alkaloidów) jest szczególnie niebezpieczna ze
wzglêdu na jej du¿¹ toksycznoœæ [20]. Spo¿ywanie przez krowy i owce pokarmu
zawieraj¹cego ten toksyczny alkaloid (szczególnie pomiêdzy 40, a 70 dniem
ci¹¿y) powoduje wyst¹pienie zniekszta³ceñ u potomstwa, tzw. „crooked calf disease”. Objawy charakterystyczne dla tego schorzenia to skrêcone lub wygiête
koñczyny, skrzywienie krêgos³upa, rozszczepienie podniebienia [18]. Dawka
w zakresie od 2 do 30 mg · kg–1 powoduje wyst¹pienie wy¿ej wspomnianych
zniekszta³ceñ w stopniu umiarkowanym do ciê¿kiego [4].
Gramina (mo¿e wystêpowaæ u L. luteus) powoduje zmiany w uk³adzie nerwowym, kr¹¿enia i oddychania [21].
Cytyzyna ma w³aœciwoœci halucynogenne [30].
Ammodendryna – alkaloid teratogenny przy wysokich stê¿eniach [18].
l
Dla porównania toksycznoœci niektórych alkaloidów:
dawka œmiertelna cytyzyny dla kotów wynosi 3 mg · kg–1 wagi cia³a,
l
l
l
l
l
l
l
l
l
39
dawka œmiertelna lupaniny dla ró¿nych gatunków zwierz¹t wynosi 75–110 mg · kg–1
wagi cia³a,
dawka œmiertelna sparteiny wynosi 51–100 mg · kg–1 wagi cia³a,
dawka œmiertelna 13 (OH) lupaniny dla œwinki morskiej wynosi 456 mg · kg–1
wagi cia³a [6].
Alkaloidy wystêpuj¹ce indywidualnie s¹ bardziej toksyczne od ich mieszaniny.
Œwiadczy to o tym, ¿e ³ubiny zawieraj¹ inne substancje, które hamuj¹ toksycznoœæ
alkaloidów lub alkaloidy hamuj¹ siê wzajemnie, kiedy wystêpuj¹ w po³¹czeniu.
Ogólne objawy zatrucia alkaloidami chinolizydynowymi u ludzi to z³e samopoczucie,
nudnoœci, wymioty, rozszerzenie Ÿrenic, zatrzymanie oddechu, zaburzenia widzenia,
bezw³ad, obfite pocenie siê, postêpuj¹ce os³abienie, œpi¹czka [27].
Na przestrzeni wielu lat badañ dotycz¹cych tej klasy zwi¹zków powsta³y liczne
hipotezy próbuj¹ce wyjaœniæ celowoœæ syntetyzowania alkaloidów przez roœliny. Na
przyk³ad uznawano je za fizjologiczne zwi¹zki wtórne, czyli „odpady” biochemicznych
reakcji zachodz¹cych w roœlinach. Hipoteza ta w ostatnich latach jest jednak mocno
krytykowana. Zak³ada siê obecnie, ¿e synteza alkaloidów jest celowa. Za potwierdzenie
tej hipotezy uwa¿a siê fakt, i¿ do wytworzenia alkaloidów roœliny zu¿ywaj¹ du¿o
energii. Tak wiêc, jeœli substancje te by³yby jedynie substancjami „odpadowymi”,
roœliny w toku ewolucji nie trwoni³yby asymilowanej energii na rzecz wytwarzania
bezu¿ytecznych produktów reakcji. Kolejnym potwierdzeniem tej hipotezy jest fakt, ¿e
wiele gatunków roœlin, które wykazuj¹ zdolnoœæ syntezy alkaloidów, roœnie na glebach
ubogich w azot. Tak wiêc azot, który roœlina zdo³a pobraæ z gleby, wykorzystywany jest
do syntezy aminokwasów, a co za tym idzie alkaloidów [9].
Na podstawie wielu eksperymentów stwierdzono, ¿e alkaloidy spe³niaj¹ w roœlinie rolê swoistego „sygna³u chemicznego” i „broni chemicznej” roœliny. Alkaloidy
chinolizydynowe uczestnicz¹ w nastêpuj¹cych wspó³dzia³aniach:
l Roœlina-roœlina – okreœlanych jako funkcje allelopatyczne, czyli oddzia³ywania
jednej roœliny na drug¹ przez zwi¹zki chemiczne wytwarzane i wydzielane do
œrodowiska (np. poprzez korzenie do gleby) w celu uniemo¿liwienia rozwoju innej
roœlinie w bezpoœrednim s¹siedztwie. Alkaloidy chinolizydynowe hamuj¹ kie³kowanie nasion trawy i sa³aty.
l Roœlina-bakteria – okreœlanych jako funkcja bakteriostatyczna, np. w infekcji
bakteryjnej ³ubinu obserwujemy w miejscu zaka¿enia wielokrotny wzrost stê¿enia
toksycznych alkaloidów. Alkaloidy inhibuj¹ wzrost bakterii, a tak¿e grzybów.
l Roœlina-konsument – okreœlanych jako funkcja herbiworalna, polegaj¹ca na samoobronie roœliny przed konsumpcj¹ w wyniku wyprodukowania substancji, które
swoimi w³aœciwoœciami (np. gorzki smak alkaloidów) odstraszaj¹ potencjalnego
konsumenta [14].
Alkaloidy pe³ni¹ równie¿ w roœlinie funkcjê uzupe³niaj¹c¹, poniewa¿ stanowi¹
dodatkowe Ÿród³o azotu. Pe³ni¹ tak¿e funkcjê transportuj¹c¹, rozprowadzaj¹c ten
dodatkowy azot do ró¿nych czêœci roœliny.
40
Alkaloidy w ³ubinach
l
l
l
W ³ubinach wystêpuj¹ alkaloidy z kilku grup:
alkaloidy chinolizydynowe (Quinilizidine Alkaloids – QAs lub QA),
alkaloidy dipiperydynowe,
alkaloidy indolowe [28].
Alkaloidy chinolizydynowe stanowi¹ najwiêksz¹ grupê. Okreœlane s¹ bardzo
czêsto, jako ³ubinowe, poniewa¿ „gorzkie” formy licznych gatunków tego rodzaju s¹
g³ównym ich Ÿród³em. Zwi¹zki te stanowi¹ oko³o 2% z 7 tys. poznanych alkaloidów
roœlinnych. Wykazuj¹ znaczne zró¿nicowanie form, a ich uk³adem podstawowym jest
cz¹steczka chinolizydyny [30]. G³ównymi alkaloidami chinolizydynowymi w nasionach ³ubinu s¹: lupanina, sparteina, angustifolina oraz 13 (OH) lupanina.
Pod wzglêdem budowy QAs mo¿na podzieliæ na [14]:
l alkaloidy dwupierœcieniowe typu lupininy, zawieraj¹ce uk³ad chinolizydyny;
l alkaloidy trójpierœcieniowe typu cytyzyny, angustifoliny, albiny, tetrahydrorombifoliny, zawieraj¹ce uk³ad chinolizydyny skondensowany z pierœcieniem pirydyny;
l alkaloidy czteropierœcieniowe, które dalej podzieliæ mo¿na na zwi¹zki typu sparteiny, lupaniny, matryny, multifloriny, anagiryny, afyliny.
Oprócz alkaloidów chinolizydynowych obecne s¹ w ³ubinach: ammodendryna,
zaliczana do grupy alkaloidów dipiperydynowych, oraz gramina, alkaliod indolowy,
którego wystêpowanie stwierdzono w ostatnich latach w ³ubinie ¿ó³tym.
Zawartoœæ alkaloidów zmienia siê wraz ze wzrostem i rozwojem roœliny. Przed
kwitnieniem najwiêksze stê¿enie QAs wystêpuje w liœciach jako g³ównym miejscu
syntezy tych zwi¹zków. Ca³kowita, procentowa zawartoœæ alkaloidów w ³odydze
obni¿a siê wraz z osi¹ganiem dojrza³oœci przez roœlinê podczas, gdy stê¿enie w liœciach spada znacz¹co dopiero po wytworzeniu str¹ków. Obni¿enie zawartoœci alkaloidów we wszystkich wegetatywnych czêœciach roœliny jest zwi¹zane z ich transportem
do str¹ków i nasion. Floem (czêœæ sitowa wi¹zki przewodz¹cej) stanowi g³ówn¹ drogê
transportu alkaloidów chinolizydynowych, natomiast w ksylemie stwierdzono tylko
œladowe ich iloœci [33].
U ka¿dego gatunku ³ubinu wystêpuj¹ tak zwane alkaloidy g³ówne oraz w œladowych iloœciach tak zwane podrzêdne alkaloidy. G³ówny alkaloid jednego gatunku, np.
sparteina w ³ubinie ¿ó³tym, mo¿e byæ podrzêdnym alkaloidem innego, np. w ³ubinie
w¹skolistnym. Poni¿ej przedstawiono g³ówne alkaloidy i ich procentow¹ zawartoœæ
w nasionach uprawnych gatunków ³ubinu:
l £ubin bia³y (L. albus L.) – wed³ug literatury g³ównymi alkaloidami s¹ lupanina
(oko³o 90%), 13 (OH)lupanina (1,5–12%). Natomiast alkaloidem podrzêdnym
jest angustifolina.
l £ubin ¿ó³ty (L. luteus L.) – g³ówne alkaloidy to: gramina – tylko w niektórych
odmianach (82%), lupinina (7,3%), sparteina (6,5%) lub: gramina (35%), sparteina (29%), lupinina (26%). Alkaloidy podrzêdne: epilupinina, ammodendryna.
41
l
£ubin w¹skolistny (L. angustifolius L.) – g³ówne alkaloidy: u odmian „gorzkich”:
13 (OH)lupanina (38%), lupanina (32%), angustifolina (20%), u odmian „s³odkich”:
lupanina (54%) i 13 (OH)lupanina (38%). Alkaloidem podrzêdnym w obu przypadkach jest izolupanina oraz angustifolina u odmian „s³odkich”.
l £ubin andyjski (L. mutabilis L.) [6] zawiera 1–4% alkaloidów chinolizydynowych. G³ówne alkaloidy: lupanina (57,5%), 13 (OH)lupanina (14,9%), 4-hydroksylupanina (8,7%), sparteina (7,4%). Alkaloidy podrzêdne: tetrahydrorombifolina (3,5%), 4,13-dihydroksylupanina (2,12%), 13-(angeloyloxy)-lupanina (1,57%),
angustifolina (0,6%), a-izolupanina (0,3%), multifloryna (0,14%), ammodendryna (0,2%), anagiryna (0,03%), estry lupaniny. Z alkaloidów a-pirydynowych
charakteryzuj¹cych siê du¿¹ toksycznoœci¹ tylko anagiryna wystêpuje w ³ubinie
andyjskim, lecz jej procentowy udzia³ w ca³kowitej zawartoœci alkaloidów jest
bardzo niski (0,03%).
W liœciach stwierdzono wystêpowanie dodatkowych alkaloidów, nieobecnych
w nasionach. Podczas kie³kowania alkaloidy obecne w nasionach ulegaj¹ przemianom w inne zwi¹zki, g³ównie wskutek estryfikacji. Tworz¹ siê miêdzy innymi takie
zwi¹zki, jak: 13-tigloyloxylupanina, 13-benzoyloxylupanina, 13-angeloyloxylupanina, 13-izovaleryloxylupanina, 13-izobutyryloxylupanina [17].
Dlaczego alkaloidy ³ubinowe s¹ gorzkie?
Jednym z najciekawszych osi¹gniêæ biochemicznych ostatnich lat jest ustalenie
korelacji miêdzy budow¹ cz¹steczki zwi¹zku, a jego funkcjami smakowymi. Jest to
tak zwana chemorecepcja, czyli zespó³ zjawisk fizycznych i chemicznych zachodz¹cych podczas oddzia³ywania miêdzy zwi¹zkiem smakowym i odpowiednim receptorem, wywo³uj¹cym w efekcie konkretne odczucie smaku w mózgu cz³owieka.
U podstawy tego zjawiska le¿y po³¹czenie typu „goœæ – gospodarz”, substancji
chemicznej (goœæ) z receptorem odpowiedniego smaku (gospodarz) [31].
W celu dalszych badañ utworzono topologiczny model receptora smaku gorzkiego. Jako zwi¹zki modelowe do kszta³towania mapy receptora smaku gorzkiego
zastosowano nastêpuj¹ce agonisty (zwi¹zki o smaku gorzkim): metatoilomocznik,
tetrajodosacharynê, chininê oraz kelinê. Rozmiar krytyczny receptora wzd³u¿ jednej
osi wyznaczono przez na³o¿enie powy¿szych zwi¹zków na siebie wraz z ich promieniami Van der Waalsa. Wywo³anie siatek potencja³owych (równych promieniom Van
der Waalsa) wszystkich zwi¹zków modelowych, na³o¿enie ich na siebie, a nastêpnie
usuniêcie ich struktur, doprowadzi³o do powstania formy topologicznej, zwanej
matryc¹ molekularn¹ receptora smaku gorzkiego. Orientacjê przestrzenn¹ agonistów,
uzyskano przez ustawienie ich odpowiednimi, hydrofilowymi centrami (elektrofilowo – nukleofilowymi) komplementarnych centrów, które umieszczone s¹ w receptorze. Wstêpnie wyznaczono geometriê receptora i dla ³atwiejszego opisu podzielono na nastêpuj¹ce czêœci:
l obszar w p³aszczyŸnie y, stanowi¹cy hydrofilow¹ czêœæ matrycy;
42
l
sektory A B i C – oddzia³ywania receptora z agonistem, realizowane si³ami
hydrofobowymi;
l pogranicze sektorów B i C – oddzia³ywania hydrofobowe, w obszarze tym
aromatyczne pierœcienie agonistów podstawione grupami elektronoakceptorowymi oddzia³uj¹ na miejsce receptora bogate w elektrony π;
l œciana matrycy w sektorze A – wp³yw na intensywnoœæ smaku gorzkiego;
l otwarta przestrzeñ w sektorze D, pozwalaj¹ca wnikn¹æ w receptor agonistom
o du¿ej cz¹steczce [12, 31].
Dobrymi modelami do badañ chemorecepcji smaku gorzkiego okaza³y siê alkaloidy ³ubinowe. Wyjaœnienie, które alkaloidy ³ubinowe s¹ odpowiedzialne za smak
gorzki, mo¿na dokonaæ jedynie na drodze analizy zjawiska chemorecepcji tych
zwi¹zków [31].
Alkaloidy ³ubinowe mog¹ wystêpowaæ w ró¿nych konformacjach, a g³ównym ich
przedstawicielem jest sparteina, stanowi¹ca szkielet dla innych alkaloidów ³ubinów.
Alkaloidy chinolizydynowe o szkielecie sparteiny (rys. 2) mog¹ wystêpowaæ w formie pe³nokrzes³owej (1B) i w konformacji z ³odziowym pierœcieniem C (1A). W ciele
sta³ym równowaga przesuniêta jest w stronê jednej z form, natomiast w roztworach
aprotonowych mo¿na zauwa¿yæ wspó³istnienie obu form [32]. Na równowagê konformacyjn¹ ma wp³yw wiele czynników, miêdzy innymi: wolna para elektronowa na
atomie azotu, oddzia³ywania zwi¹zane z naprê¿eniem szkieletu, rodzaj podstawników, jak i równie¿ oddzia³ywania miêdzycz¹steczkowe [12]. Okaza³o siê, ¿e
konformery z ³odziowym pierœcieniem C wpasowuj¹ siê w matrycê bardzo dobrze,
szczególnie w sektor A, który jest odpowiedzialny za intensywne odczucie smaku
gorzkiego, natomiast konformery krzes³owe – bardzo Ÿle. Im wiêkszy udzia³ konformacji ³odziowej w danym alkaloidzie, tym wiêkszy jest stopieñ gorzkoœci badanego
zwi¹zku [32].
Obok laboratoryjnych metod okreœlania wskaŸników jakoœciowych substancji
chemicznych, wa¿n¹ rolê spe³niaj¹ badania organoleptyczne, dokonywane za pomoc¹
ludzkich zmys³ów. Jednym z podstawowych warunków zapewniaj¹cych poprawnoœæ
i dok³adnoœæ wyników ocen sensorycznych jest pos³ugiwanie siê zespo³em ludzi
o znanej, odpowiednio wysokiej wra¿liwoœci, zapewniaj¹cym du¿¹ powtarzalnoœæ
Rysunek 2. Konformer sparteiny z ³odziowym pierœcieniem C (1A) i w formie pe³nokrzes³owej
(1B) [12]
43
Tabela 2. Procentowy indeks stopnia gorzkoœci agonistów w odniesieniu do chininy [12, 13, 24]
Zwi¹zek
Struktura
Konformacja
Indeks gorzkoœci
[% formy ³odziowej] [%]1)
chinina (wzorzec)
H
N
sparteina
N
—
100
~100
97
90
85
85–93
70
55,6
65
0
15
4,7–5,3
11
75
5
0
0
—
0
H
H
N
lupanina
N
H
O
H
N
13á-hydroksylupanina
N
H
H
OH
O
H
N
13-oxolupanina
N
O
H
O
5,6-didehydromultifloryna
O
N
N
H
H
N
afylina
N
H
O
multifloryna
O
H
N
11,12-seco-12,13-dehydromultifloryna
O
H
N
woda
1)
rozpuszczalnik
N
H
N
H2C
Indeks gorzkoœci okreœla procentow¹ intensywnoœæ smaku gorzkiego w stosunku do wzorca
tego smaku – chininy.
44
wyników. W celu ustalenia wra¿liwoœci sensorycznej w zakresie zmys³u smaku gorzkiego do badañ wybrano grupê 30 osób, z których wy³oniono w³aœciw¹ grupê, czyli
zespó³ 10–12 osób charakteryzuj¹cych siê dobr¹ sta³oœci¹ ocen i pamiêci¹, mog¹cych
dokonaæ w³aœciw¹ ocenê sensoryczn¹ wybranych alkaloidów ³ubinowych. Uzyskane
wyniki dla wybranych alkaloidów ³ubinowych, po pogrupowaniu, uœrednieniu i uszeregowaniu da³y skalê graficzn¹, opisuj¹c¹ efekt smaku gorzkiego i pos³u¿y³y do podania
nowej systematyki tych zwi¹zków ze wzglêdu na ich smak [32] (tab. 2).
Dla sparteiny, dla której udzia³ konformacji ³odziowej wynosi 95%, na podstawie
analizy sensorycznej okreœlono indeks gorzkoœci na 97%. Tak¹ logiczn¹ korelacjê
uzyskano tak¿e dla lupaniny, 13 (OH)lupaniny oraz 13-oxolupaniny. Nie uzyskano
jedynie tak prostej korelacji „konformacyjno-smakowej” w przypadku multifloryny
i 5,6-didehydromultifloryny. Brak korelacji miêdzy indeksem gorzkoœci, a udzia³em
konformacji ³odziowej mo¿na t³umaczyæ jako wp³yw grup funkcjonalnych w cz¹steczce danego alkaloidu na jego oddzia³ywania hydrofobowej czêœci matrycy.
W przypadku multifloryny znacz¹ce ró¿nice w wartoœciach ³adunków cz¹stkowych uniemo¿liwiaj¹ wyst¹pienie zjawiska rozpoznania cz¹steczkowego miêdzy
agonistem, jakim jest multifloryna, a hydrofobow¹ czêœci¹ receptora, opisywanej
przez sektor B matrycy molekularnej tego receptora. Multifloryna, nie mog¹c efektywnie wpasowaæ siê i oddzia³ywaæ na receptor, nie bêdzie stymulowa³a smaku, tzn.
bêdzie zwi¹zkiem pozbawionym smaku, co jednoznacznie potwierdza wyznaczony
indeks gorzkoœci. 5,6-didehydromultifloryna wystêpuje tylko w konformacji krzes³owej, dlatego udzia³ konformacji ³odziowej wynosi 0. Natomiast wyznaczony indeks
gorzkoœci wynosi 15%, co odbiega od regu³y [12].
Badania sensoryczne potwierdzi³y wp³yw konformacji na stopieñ gorzkoœci
alkaloidu. Im wiêkszy udzia³ konformeru ³odziowego, tym alkaloid ³ubinowy jest
bardziej gorzki. Z badañ wynika, ¿e najbardziej gorzki smak wywo³uje sparteina,
nieco mniej gorzkim jest lupanina i jej pochodne, a najmniej gorzkie s¹ afylina oraz
multifloryna i jej pochodne.
Lupanina i 13 (OH)lupanina to alkaloidy wystêpuj¹ce w zdecydowanej wiêkszoœci
w ³ubinie bia³ym i w¹skolistnym (~97%), sparteina natomiast w ³ubinie ¿ó³tym.
Wyznaczony indeks gorzkoœci alkaloidów ³ubinowych wskazuje, które alkaloidy
powinny zostaæ usuniête w celu uzyskania „s³odkich” ³ubinów [32].
Wp³yw niektórych czynników œrodowiskowych
na biosyntezê alkaloidów ³ubinowych
Zawartoœæ alkaloidów w ³ubinach jest uwarunkowana genetycznie, ale niektóre
czynniki œrodowiska maj¹ poœredni lub bezpoœredni wp³yw na aktywnoœæ biosyntezy
alkaloidów ³ubinowych [19]. Do takich czynników nale¿¹ przede wszystkim œwiat³o,
kwasowoœæ gleby i wilgotnoœæ, temperatura i zawartoœæ sk³adników pokarmowych
w glebie.
45
Pod wp³ywem œwiat³a w roœlinie zwiêksza siê ca³kowita zawartoœæ alkaloidów.
Stwierdzono tak¿e, ¿e œwiat³o powoduje zmianê proporcji syntetyzowanych alkaloidów. Oznacza to, i¿ ta sama roœlina w ró¿nych warunkach œwietlnych biotopu mo¿e
mieæ ró¿n¹ zawartoœæ alkaloidów [2]. Tak¿e kwasowoœæ oraz wilgotnoœæ gleby maj¹
wp³yw na zawartoœæ alkaloidów w roœlinie [2]. Ekstremalne temperatury (poni¿ej 10°C
i powy¿ej 30°C) podczas wzrostu ³ubinu podwy¿szaj¹ zawartoœæ tych zwi¹zków [2].
Podobny wp³yw ma tak¿e nadmiar lub niedobór sk³adników pokarmowych
w glebie. Pod wp³ywem wysokiej dawki azotu mo¿na znacznie zwiêkszyæ ogóln¹
zawartoœæ alkaloidów w ³ubinie. Dotyczy to równie¿ podwy¿szonego nawo¿enia
potasem i fosforem. Niedobór fosforu obni¿a ca³kowit¹ zawartoœæ alkaloidów
w „s³odkich” odmianach ³ubinu. Natomiast niedobór potasu powoduje wzrost zawartoœci tych zwi¹zków w „s³odkich” ³ubinach. Stwierdzono tak¿e, ¿e zarówno
niedobór fosforu, jak i niedobór potasu nie maj¹ ¿adnego wp³ywu na zawartoœæ
alkaloidów w „gorzkich” odmianach ³ubinu. Takie mikroelementy jak B, Cu, Mo, Mn
maj¹ negatywny wp³yw na wzrost zawartoœci alkaloidów. Pojawienie siê w biocenozie ³ubinowej toksyn lub pierwiastków toksycznych (glin i metale ciê¿kie) wp³ywa
na wzrost zawartoœci alkaloidów [5].
Genetyczne uwarunkowania niskiej zawartoœci alkaloidów
Warunkiem wykorzystania ³ubinów w ¿ywieniu ludzi i zwierz¹t by³o wyhodowanie odmian o obni¿onej zawartoœci alkaloidów. Pierwsze formy, bêd¹ce przez wiele
lat Ÿród³em niskiej zawartoœci alkaloidów w hodowli ³ubinu ¿ó³tego i w¹skolistnego
wyselekcjonowano na podstawie oceny smakowej w Niemczech w latach 30.
W Polsce uznaje siê odmianê jako niskoalkaloidow¹, gdy ich zawartoœæ wynosi
poni¿ej 0,1% suchej masy nasion. Norma przyjêta w Australii jest ostrzejsza – poni¿ej
0,02%. Obecnie wykorzystuje siê chromatografiê gazow¹ do oceny zarówno ogólnej
zawartoœci alkaloidów, jak i sk³adu jakoœciowego. Okaza³o siê, ¿e w dotychczasowej
selekcji hodowlanej na obni¿on¹, ogóln¹ zawartoœæ alkaloidów dosz³o do niekontrolowanych zmian sk³adu jakoœciowego. Na przyk³ad u odmian niskoalkaloidowych
³ubinu w¹skolistnego wyraŸnie zmniejszy³a siê zawartoœæ angustifoliny, natomiast
w niektórych odmianach ³ubinu ¿ó³tego pojawi³a siê gramina. Sugeruje to koniecznoœæ badañ nad dziedziczeniem zawartoœci poszczególnych alkaloidów oraz w³¹czenia oceny sk³adu jakoœciowego do selekcji hodowlanej.
Nasiona odmian wysokoalkaloidowych wykorzystywane s¹ nadal, ale w niewielkim zakresie i tylko u ³ubinu w¹skolistnego (samopylny) – jako pokarm dla ryb
lub jako zielony nawóz na przyoranie do zasiewu s¹siaduj¹cych z lasami pól nara¿onych na zniszczenie przez zwierzynê. Zapotrzebowanie na nasiona dla tego kierunku
u¿ytkowania dwu odmian „gorzkich” (‘Karo’, ‘Mirela’) wynosi oko³o 10% ogólnej
produkcji nasiennej gatunku. Tu idea³em by³oby wyhodowanie odmian o wysokiej
zawartoœci alkaloidów w zielonej masie, ale o niskoalkaloidowych nasionach.
46
Sugerowano tak¿e uprawê ³ubinów „gorzkich” dla ekstrakcji alkaloidów i ich
wykorzystania do produkcji leków lub w rolnictwie, jako stymulatora wzrostu
i rozwoju roœlin. Poekstrakcyjn¹ œrutê mo¿na by wykorzystaæ w ¿ywieniu zwierz¹t.
Jednak przez ponad 20 minionych lat nie stwierdzono zainteresowania tym kierunkiem u¿ytkowania.
Dotychczasowe badania nad dziedziczeniem zawartoœci alkaloidów prowadzono
przy wykorzystaniu prostych metod chemicznych, wykrywaj¹cych tylko obecnoœæ
alkaloidów lub ich ogóln¹ zawartoœæ. Badania te u uprawnych ³ubinów doprowadzi³y
do wykrycia pojedynczych genów, kontroluj¹cych nisk¹ zawartoœæ alkaloidów. Poni¿ej
przedstawiono, opisane w literaturze geny wraz z obni¿on¹ zawartoœci¹ alkaloidów
w nasionach linii – dawcy genu [16, 25, 26]. Ze wzglêdu na ró¿ne lata badañ, oœrodki
i linie bêd¹ce ich nosicielami oraz brak badañ nad allelizmem/identycznoœci¹ loci,
niewiele wiadomo o wzajemnych zale¿noœciach i ewentualnym efekcie wspó³dzia³ania
genów ró¿nych loci.
£ubin w¹skolistny:
l iuc (iucundus) – w linii 411 – 0,049% alkaloidów w suchej masie (s.m.) nasion,
l es (esculentus) – w linii 415 – 0,106% alkaloidów w s.m. nasion,
l dep (depressus) – w linii 14 – 0,01% alkaloidów w s.m. nasion.
£ubin ¿ó³ty:
l dul (dulcis) – w linii 8 – 0,05% alkaloidów w s.m. nasion,
l am (amoenus) – w linii 80 – 0,013% alkaloidów w s.m. nasion,
l lib (liber) – w linii 102 – 0,01% alkaloidów w s.m. nasion,
l obni¿ona zawartoœæ alkaloidów w linii V-351.
£ubin bia³y:
l mit (mitis) – w linii 19,
l pau (pauper) – w odmianach: ‘Kraffquell’, ‘Gela’, ‘Ultra’ – 0,02–0,05% alkaloidów w s.m. nasion,
l nut (nutricius) – w odmianie ‘Nahrquell’ – 0,1% alkaloidów w s.m. nasion,
l red (reductus) – wystêpuje wœród gorzkich form ³ubinu bia³ego, pochodz¹cych
z basenu Morza Œródziemnego,
l sua (suavis) – w linii pochodz¹cej z Palestyny,
l exi (exiguus) – w linii pochodz¹cej z Wêgier,
l tert (tertius) – w odmianie ‘Bia³y III’,
l prim (primus) – w odmianie ‘Bia³y I’,
l q (quintus) – w odmianie ‘Bia³y V’.
W najnowszych badaniach nad loci cech iloœciowych u ³ubinu w¹skolistnego
zidentyfikowano przy wykorzystaniu markerów molekularnych kilka regionów genomu warunkuj¹cych zawartoœæ alkaloidów [3]. W jednym z nich, oprócz g³ównego
genu iucundus, odpowiedzialnego za ogólny poziom zawartoœci alkaloidów wystêpuj¹ najprawdopodobniej geny zwi¹zane z syntez¹ poszczególnych alkaloidów.
47
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
Aniszewski T. 2007. Alkaloid chemistry. W: Alkaloids – Secrets of Life. Alkaloid Chemistry, Biological
Significance, Applications and Ecological Role. Elsevier: 88–89, 98–99.
Aniszewski T. 1995. Ekologiczna rola alkaloidów ³ubinowych. W: Postêpy w badaniach ³ubinu. Polskie
Towarzystwo £ubinowe, Instytut Chemii Bioorganicznej, Poznañ: 9–31.
Chudy M. 2010. Lokalizacja markerów zdefiniowanych sekwencyjnie i loci cech iloœciowych oraz mapowanie
porównawcze genomu ³ubinu w¹skolistnego (Lupinus angustifolius L.). Praca doktorska wykonana w IGR
PAN w Poznaniu.
de Cortes Sánchez M., Altares P., Pedrosa M., Burbano C., Cuadrado C., Goyoaga C., Muzquiz M.,
Jiménez-Martínez C., Dávila-Ortiz G. 2005. Alkaloid variation during germination in different lupin species.
Food Chem. 90: 347–355.
Gremigni P., Hamblin J., Harris D., Cowling W.A. 2003. The interaction of phosphorus and potassium with
seed alkaloid concentrations, yield and mineral content in narrow-leafed lupin (L. angustifolius L.). Plant and
Soil 253: 413–427.
Hatzhold T., Elmadfa I., Gross R., Wink M., Hartmann T., Witte L. 1983. Quinolizidine alkaloids in seeds of
Lupinus mutabilis. J. Agric. Food Chem. 31: 934–938.
http://farmakognozja.farmacja.pl
http://medycyna.linia.pl/alkaloid.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/alkaloidy
http://vmc.org.pl/articles
http://www.terrarium.com.pl/zobacz/alkaloidy-889.html
Jasiczak J., Wysocka W., Skolik A. 1999. Matryca molekularna receptorów smaku gorzkiego w badaniach
struktury alkaloidów bis-chinolizydynowych. W: Na pograniczu chemii i biologii. Wyd. Naukowe UAM, tom
III: 503–527.
Jasiczak J., Wysocka W., Skolik A. 2005. Reason of the bitter taste of lupin alkaloids. Polish J. of Commodity
Sci. (1)2, 13: 169–177.
Jasiewicz B., Boczoñ W. 2003. Alkaloidy Bis-chinolizydynowe – struktura i w³aœciwoœci. W: Na pograniczu
chemii i biologii. Wyd. Naukowe UAM, tom VIII: 199–206.
Ko³odziejczyk A. 2003. Alkaloidy. W: Naturalne zwi¹zki organiczne. PWN: 360–361.
Kurlovich B.L. 2002. Genetics of lupins. W: Lupinus – geography, classification, genetic resources and
breeding. Publishing house ,,Intan” St. Petersburg: 313–329.
Lee M.J., Pate J.S., Harris D.J., Atkins C.A. 2007. Synthesis, transport and accumulation of quinolizidine
alkaloids in Lupinus albus L. and Lupinus angustifolius L. J. of Exp. Bot. 58(5): 935–946.
Lee S.T., Cook D., Panter K.E., Gardner D.L., Ralphs M.H., Motteram E.S., Pfister J.A., Gay C.C. 2007. Lupine
induced „crooked calf disease” in Washington and Oregon: identification of the alkaloid profiles in Lupinus
sulfureus, Lupinus leucophyllus, and Lupinus sericeus. J. Agric. Food Chem. 55: 10649–10655.
Lubowicki R., Kotlarz A., Jaskowska I. 2005. Effect of cultivar and harvest year on the composition of yellow
lupine seeds. J. of Animal and Feed Sci. 14(1): 373–376.
Meeker J.E., Kilgore W.W. 1987. Identification and quantitation of the alkaloids of Lupinus latifolius. J. Agric.
Food Chem. 35: 431–433.
Muzquiz M., Burbano C. 2005. Bioactive compounds in Lupinus spp.: implications for nutrition and health.
Proceedings of the 11th International Lupin Conference, Guadalajara, Jalisco, Mexico: 327–340.
Rajnikant, Dinesh, Kamni. 2005. Weak C-H…O hydrogen bonds in alkaloids: An overview. Bull. Mater. Sci.
28(3): 187–198.
Señczuk W. 2005. Substancje toksyczne pochodzenia roœlinnego. W: Toksykologia wspó³czesna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa: 809.
Skolik A., Przyby³ A.K., Wysocka W. 2004. Relation between molecular structure and bitter taste intensity of
multiflorine and its derivatives. Annals of the Polish Chemical Society 3(4): 107–110.
Œwiêcicki W., Œwiêcicki W.K. 1995. Domestication and breeding improvement of narrow-leafed lupin
(L.angustifolius L.). J. App.Genet. 36(2): 155–167.
Œwiêcicki W., Rybczyñski J., Œwiêcicki W.K. 2000. Domestication and genetics of the yellow lupin (Lupinus
luteus L.) and the biotechnological improvement of lupins. J.Appl. Genet. 41(1): 11–34.
48
[27] Technical report No.3. 2001. Lupin alkaloids in food. A Toxicological Review and Risk Assessment. Australia
New Zealand Food Authority: 3–20.
[28] Tei A., Wink M. 1999. Isolation and identification of quinolizidine alkaloids in lupinus by GLC-MS.
Proceedings of the 9th International Lupin Conference, Klink/Müritz: 273–277.
[29] Wink M. 2005. Health promotinag activities of non-nutritional factors in lupins. Proceedings of the 11th
International Lupin Conference, Guadalajara, Jalisco, Mexico: 308–319.
[30] Wink M. 1987. Quinolizidine alkaloids: biochemistry, metabolism and function in plants and cell suspension
cultures. Planta Medica 53(6):509–514.
[31] Wysocka W., W³odarczak J. 2003. Pochodne 13a-hydroksylupaniny jako agonisty do modelowania matrycy
molekularnej receptora smaku gorzkiego. W: Na pograniczu chemii i biologii, tom IX: 19–27.
[32] Wysocka W., Skolik A. 2003. Indeks gorzkoœci alkaloidów ³ubinowych. W: Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 495:
445–451.
[33] Zamora-Natera F., García-López P., Ruiz-López M., Herrera J.M., Rodríguez-Macias R., Pedrosa M.,
Muizquiz M. 2008. Composition and alkaloid profile of Lupinus exaltatus ZUUC. during its development.
Proceedings of 12th International Lupin Conference, Fremantle, Western Australia: 185–187.
Alkaloids and their importance in lupins
Key words: Lupinus, alkaloids
Summary
Alkaloids are organic compounds of plant origin. They are present in higher plants,
mostly in species from Apocynaceae, Papaveraceae, Ranunculaceae and Solanaceae
families. They were detected also in fungi, Pteriodophyta and Gymnospermae. Over
15000 alkaloids were revealed and described up to the end of XX c.
Alkaloids show a strong physiologic influence on human and animal organism.
Their characteristic feature is that a low quantity gives medicinal effect but in higher
concentrations are strong poisons. In crops used as food or fodder are considered as so
called antinutritional compounds. Introduction of the lupin crops to diet depends on
decrease of alkaloid content in their cultivars due to their harmfulness and bitter taste.
Quinolizidine alkaloids are the most numerous in lupins, but also dipiperidine and
indolyl compounds are present. So called major and minor alkaloids are characteristic
for different lupin species. For example major alkaloids of narrow leafed lupin are
13-hydroxylupanine, lupanine and sometimes angustifoline, whereas lupinine,
sparteine and sometimes gramine are present in yellow lupin seeds.
Alkaloid content in lupins is genetically controlled but some environmental factors (light, soil pH and moisture content, temperature or mineral compounds) also influence their biosynthesis. Alkaloid content in seeds of wild lupins can reach several
per cent of dry matter, but in cultivars their content was decreased below 0.005%.
Such a decrease was possible thanks to a progress in analytical techniques and revealing genes responsible for a low content of these compounds.
nr 3/2010: 49–56
Zastosowanie oceny cyklu ¿ycia
w badaniach zwi¹zanych z produkcj¹ biomasy
na cele energetyczne
Magdalena Borzêcka-Walker
Instytut Uprawy Nawo¿enia i Gleboznawstwa – Pañstwowy Instytut Badawczy w Pu³awach
Czartoryskich 8, 24-100 Pu³awy
[email protected]
S³owa kluczowe: Ocena Cyklu ¯ycia (LCA), biomasa, roœliny energetyczne
Wstêp
Zast¹pienie paliw kopalnych biomas¹ podczas wytwarzania energii jest wa¿n¹
strategi¹ promowan¹ przez Uniê Europejsk¹ maj¹c¹ na celu zmniejszenie efektu
cieplarnianego oraz zwiêkszenie bezpieczeñstwa dostaw i zró¿nicowanie Ÿróde³
energii [12, 13]. Ze wzglêdu na wci¹¿ tocz¹c¹ siê w œwiecie nauki dyskusjê na temat
pozytywnego i negatywnego wp³ywu biomasy na œrodowisko coraz wiêkszym zainteresowaniem cieszy siê wykorzystanie analizy cyklu ¿ycia (Life Cycle Assessment,
LCA) w badaniach dotycz¹cych biopaliw. Ceniony autorytet, laureat nagrody Nobla,
profesor Paul J. Crutzen [6] wskaza³, ¿e ocenê skutków œrodowiskowych produkcji
i wykorzystania biopaliw mo¿na uzyskaæ jedynie poprzez zastosowanie analizy cyklu
¿ycia. Postulat ten zosta³ uwzglêdniony w prawodawstwie stanowionym przez Parlament Europejski, który w dyrektywie o promocji stosowania energii z odnawialnych
Ÿróde³ (2009/28/EC) nak³ada obowi¹zek przeprowadzenia oceny cyklu ¿ycia dla
biopaliw p³ynnych.
Biomasa to najstarsze, naturalne dla œrodowiska, i najszerzej wspó³czeœnie wykorzystywane odnawialne Ÿród³o energii. Jej najwiêksz¹ zalet¹ jest ujemny bilans emisji
ekwiwalentu dwutlenku wêgla (CO2), uwalnianego podczas spalania biomasy, a tak¿e
ni¿sza ni¿ w przypadku paliw kopalnych emisja dwutlenku siarki (SO2), tlenków
azotu (NOx) i tlenku wêgla (CO) [12, 13]. Paliwa produkowane z biomasy mog¹ byæ
wykorzystywane do produkcji ciep³a, energii elektrycznej lub do produkcji paliw
transportowych. W Unii Europejskiej 92% pozyskiwanej biomasy wykorzystywane
jest do produkcji ciep³a, 7% do produkcji energii elektrycznej, a tylko 1% do
50
M. Borzêcka-Walker
wytwarzania paliw transportowych [16]. Za wykorzystaniem biomasy jako odnawialnego Ÿród³a energii przemawiaj¹ aspekty ekologiczne – g³ównie zamkniêty obieg
CO2 w porównaniu z paliwami kopalnymi.
Ocena cyklu ¿ycia jest narzêdziem zarz¹dzania wykorzystywanym do kompleksowych ocen oddzia³ywañ na œrodowisko, obejmuj¹c wszystkie etapy zwi¹zane
z procesem produkcji. Wskazówki oraz zasady przeprowadzania analiz LCA zawarte
s¹ w standardach zarz¹dzania jakoœci¹ i œrodowiskiem (ISO 14040) wprowadzanych
przez Miêdzynarodow¹ Komisjê Normalizacyjn¹ (ISO). W krajach Europy Zachodniej
badania LCA prowadzone s¹ w du¿ym zakresie, natomiast w Polsce na niewielk¹ skalê
i jak na razie nie by³y stosowane w naukach rolniczych. Do wiod¹cych europejskich
oœrodków naukowych stosuj¹cych analizy LCA do oceny biomasy jako Ÿród³a energii
nale¿¹: Szwajcarska Stacja Doœwiadczalna Agroscope Reckenholz-Tänikon (ART)
«http://www.agroscope.admin.ch/aktuell/index.html?lang=en», Centrum Badañ Komisji Europejskiej (JRC) «http://ec.europa.eu/dgs/jrc/index.cfm», austriackie Joanneum Research «http://www.joanneum.at/», jak równie¿ firmy konsultingowe, takie jak
ESU-services Ltd. «http://www.esu-services.ch/cms/index.php».
Narzêdzia oraz bazy danych
Istnieje wiele programów komputerowych wykorzystywanych do analiz LCA[7].
Programy te s¹ aktualizowane na podstawie wyników badañ naukowych. Do najpopularniejszych nale¿¹: GaBi, GEMIS, GREET oraz SimaPro7.0. Aby szybko tworzyæ
i analizowaæ modele produkcji opracowano przejrzyste, wysokiej jakoœci, powszechnie akceptowane bazy danych dla wiêkszoœci popularnie stosowanych materia³ów
i procesów.
Najwiêksz¹ baz¹ danych jest Ecoinvent. Baza ta, w aktualnie dystrybuowanej
wersji (v.2.1), zawiera spójne cykle ¿ycia dla ponad 4000 procesów produkcji z dziedziny rolnictwa. Do najwa¿niejszych nale¿¹: zaopatrzenie w energiê, transport, biopaliwa, biomateria³y, materia³y budowlane i chemiczne, technologie teleinformatyczne, jak równie¿ przetwarzanie odpadów. Baza danych tworzona jest w Ecoinvent Centre przy wspó³pracy specjalistów z poszczególnych dziedzin nauki. Dane agrotechniczne wykorzystywane w szacunkach LCA opracowuje Szwajcarska Stacja Doœwiadczalna Agroscope Reckenholz-Tänikon (ART) i ESU-services Ltd. Stacja ART
tworzy w³asn¹ bazê danych Swiss Agricultural Life Cycle Assessment – SALCA,
która dostêpna jest równie¿ jako komponent bazy Ecoivent v2.1. SALCA zawieraj¹c¹
ponad 1000 procesów produkcji dotycz¹cych uprawy roœlin. ESU-services Ltd.
tworzy bazê danych (esu-services database) dotycz¹cych miêdzy innymi produkcji
biopaliw.
Zastosowanie oceny cyklu ¿ycia …
51
Podstawowe za³o¿enia
Mimo ¿e nie ma jednej œciœle okreœlonej metodyki prowadzenia analiz LCA dla
biopaliw, pe³na analiza powinna obejmowaæ cztery fazy zgodnie z zasadami ujêtymi
w ISO PN-EN 14040:
l definicja celu i zakresu, okreœlenie zasad i struktury – PN-EN ISO 14041 (Goal and
Scope Definition):
l analiza zbioru wejœæ i wyjœæ – PN-EN ISO 14041 (LCI – Life Cycle Inventory);
l ocena wp³ywu cyklu ¿ycia – PN-EN ISO 14042 (LCIA – Life Cycle Impact
Assessment);
l interpretacja wyników – PN-EN ISO 14043 (Life Cycle Interpretation) [16].
Wed³ug metodyki opracowanej przez Society of Environmental Toxicology and
Chemistry (SETAC), podczas LCA uwzglêdnia siê 14 kategorii wp³ywu na œrodowisko, z czego w badaniach nad wykorzystaniem roœlin w produkcji biopaliw najczêœciej
analizuje siê:
l Efekt cieplarniany, czyli atmosferyczn¹ absorpcjê promieniowania prowadz¹c¹ do wzrostu globalnej temperatury [1, 17], u¿ywany do wyra¿enia wp³ywu emisji GHG z u¿ytków rolnych [4] wyra¿any w ekwiwalencie CO2.
l Zakwaszenie, które jest szacowane poprzez sumowanie zanieczyszczeñ powietrza
w postaci dwutlenku siarki (SO2), tlenku azotu, chlorowodoru (HCL) oraz amoniaku (NH3) [1, 17], wyra¿ane w ekwiwalencie SO2.
l Eutrofizacjê, która jest procesem wzbogacania œrodowiska w substancje pokarmowe (biogeny) g³ównie zwi¹zkami fosforu i azotu powoduj¹c zmniejszenie
iloœci tlenu w wodzie lub glebie [1, 17].
l Wykorzystanie terenu (land use), które zaliczane jest do kategorii maj¹cej najwiêkszy wp³yw na ca³kowity cykl produkcji biopaliw. Emisje zwi¹zane z wykorzystaniem powierzchni nie tylko dotycz¹ zajmowanego area³u, ale g³ównie
kosztów emisyjnych zwi¹zanych z jego przekszta³ceniem [1, 4]. Za przyk³ad mo¿e
s³u¿yæ proces przekszta³cenia terenów lesistych na u¿ytki orne, który powoduje
emisjê wêgla rzêdu 0,6 t C ha–1 r–1 czy te¿ przekszta³cenie terenów zielonych na
u¿ytki orne – emisja wêgla od 1 do 1,7 t C ha–1 r–1 [11].
Zmiennoœæ wyników
Metoda Oceny Cyklu ¯ycia stworzona zosta³a dla przemys³u, gdzie iloœæ procesów
jest ograniczona i przebieg ich mo¿na kontrolowaæ; nie jest to mo¿liwe w badaniach
biologicznych (œrodowiskowych). Ze wzglêdu na brak uszczegó³owienia procedur
postêpowañ analitycznych publikowane rezultaty badañ s¹ bardzo zró¿nicowane,
zw³aszcza pod wzglêdem ogólno metodycznym. Ró¿nice te wynikaj¹ z zmiennych
za³o¿eñ dotycz¹cych efektywnoœci procesów, inwentaryzacji danych [8], jak równie¿
52
M. Borzêcka-Walker
metod szacowania emisji gazów cieplarnianych z produkcji nawozów oraz z za³o¿eñ
do obróbki produktów ubocznych w fazie konwersji [23]. Wiele cykli ¿ycia jest
niekompletnych, pomijaj¹ one pewne komponenty ³añcucha produkcji, które to s¹
istotne dla przeprowadzenia rzetelnej oceny zrównowa¿enia biopaliw [8]. Badania
LCA zazwyczaj uwzglêdniaj¹ emisje bezpoœrednie (uprawa roœlin, transport) natomiast emisje poœrednie, wynikaj¹ce np. z przekszta³cenia systemu u¿ytkowania
gruntów, s¹ czêsto pomijane ze wzglêdu na brak danych [25]. Dlatego te¿ podczas
interpretacji wyników ró¿nych analiz dotycz¹cych jednego produktu, wystêpuj¹
problemy przy porównywaniu poszczególnych kategorii, np. efektu cieplarnianego,
zakwaszenia (mno¿niki, analizy porównawcze) czy oddzia³ywania na zdrowie cz³owieka [3]. Przegl¹d oko³o 60 analiz LCA przeprowadzonych przez: Miêdzynarodow¹
Agencjê Energii (IEA – International Energy Agency) oraz Program Œrodowiskowy
Organizacji Narodów Zjednoczonych (UNEP – United Nations Environment
Programme) potwierdza szerok¹ rozbie¿noœæ bilansu GHG dla wielu rodzajów
biopaliw [23]. Rozbie¿noœci te prezentowane s¹ równie¿ w Raporcie OECD [9] gdzie
autorzy podaj¹, ¿e etanol wyprodukowany z ziarna mo¿e przyczyniæ siê do oszczêdnoœci GHG w ekwiwalencie CO2 rzêdu 30–60% natomiast z kukurydzy rzêdu
20–50%. W przypadku biodisla z oleju roœlinnego bilans GHG waha siê w granicach
40–55%. Dodatkowy problem mo¿e stanowiæ ró¿norodnoœæ jednostek miary stosowanych do opisywania energii oraz bilansu GHG, co znacz¹co utrudnia porównywanie wyników, a nawet mo¿e to uniemo¿liwiæ [8].
Analiza zbioru wejœæ i wyjœæ – inwentaryzacja danych
Analiza zbioru wejœæ i wyjœæ jest drug¹ faz¹ LCA. Obejmuje ona proces gromadzenia danych i analizê zbioru wejœæ (wejœcia ze œrodowiska, technosfery) i wyjœæ
(odpady, emisje) [19, 25]. Faza inwentaryzacji przy ocenie cyklu ¿ycia biopaliw
obejmuje ca³y proces produkcji biomasy, czyli uprawê roœlin, ich zbiór, transport,
procesy przemian przemys³owych oraz emisje z koñcowego spalania p³ynnego
paliwa, w zwi¹zku z tym analiza ta jest bardzo z³o¿ona i pracoch³onna.
Ocena wp³ywu cyklu ¿ycia na œrodowisko
Badania wskazuj¹, ¿e w przypadku wiêkszoœci biopaliw mo¿na osi¹gn¹æ kompromis miêdzy minimalizacj¹ emisji gazów cieplarnianych (GHG), a uzyskaniem pozytywnej równowagi ekologicznej. Emisja gazów cieplarnianych mo¿e byæ zmniejszona o wiêcej ni¿ 30% w przypadku niektórych biopaliw. Z analizy LCA przeprowadzonej dla uprawy wierzby przeznaczonej na produkcjê elektrycznoœci we
wspó³spalaniu z wêglem czy te¿ u¿ywanej jako podstawowe Ÿród³o energii wynika, ¿e
u¿ycie biomasy prowadzi do znacznego obni¿enia niekorzystnego wp³ywu na œro-
53
dowisko w porównaniu z tradycyjnymi elektrowniami [12]. Jungbluth i in. [17]
wykazali pozytywny wp³yw wiêkszoœci stosowanych biopaliw na œrodowisko. Analizy LCA udowodni³y równie¿, ¿e w niektórych przypadkach produkcja energii
z biomasy jest bardziej uci¹¿liwa dla œrodowiska ni¿ jej produkcja metodami konwencjonalnymi z paliw kopalnych [25].
Kolejnym wa¿nym aspektem produkcji energii z biomasy rolniczej jest redukcja
emisji niemetanowych lotnych zwi¹zków organicznych (NMVOC) poprzez wybranie korzystnych rodzajów zasobów biomasy do produkcji biopaliw [17].
Zapotrzebowanie na paliwo p³ynne zaczyna przewy¿szaæ mo¿liwoœci jego dostarczania ze Ÿróde³ kopalnych i dlatego rosn¹cym zainteresowaniem ciesz¹ siê biopaliwa
p³ynne takie jak etanol oraz biodisel produkowane z biomasy roœlinnej [14]. Biomasa
roœlinna jako Ÿród³o p³ynnego paliwa wykorzystywanego w transporcie jest na du¿¹
skalê propagowana jako droga do niezale¿noœci energetycznej. Jest równie¿
postrzegana jako czynnik pozytywnie wp³ywaj¹cy na ograniczenie zmian klimatycznych [24]. Jednak ten pozytywny efekt jest redukowany przez du¿e zu¿ycie nawozów
sztucznych oraz stosowanie „ciê¿kich” maszyn przy uprawie i zbiorze [1, 22].
Istotnym czynnikiem mog¹cym ograniczyæ negatywny wp³yw uprawy zbó¿ na ocieplenie klimatu jest termin oraz iloœæ stosowanych nawozów ukierunkowanych na
zwiêkszenie zawartoœci bia³ka w ziarnie. Zbo¿a o mniejszej zawartoœci bia³ka w ziarnie, a wiêkszej cukrów, s¹ po¿¹dane ze wzglêdu na wy¿sz¹ efektywnoœæ przetwarzania w procesach przemys³owych [22]. Brentrup i in. [4] podaj¹, ¿e w przypadku
uprawy pszenicy efekt cieplarniany powodowany przez tonê ziarna wzrasta prawie
liniowo wraz ze wzrostem nawo¿enia azotem. W przypadku produkcji roœlin na
biomasê u¿ycie nawozów jest ni¿sze, a co za tym idzie wp³yw na potencja³ ocieplenia
klimatu jest mniejszy.
W Polsce zakwaszenie gleb jest od kilkudziesiêciu lat jednym z najpowa¿niejszych problemów rolnictwa. Zgodnie z indeksem ¿yznoœci gleby czynnik ten najbardziej ogranicza produkcjê rolnicz¹ [10]. Wa¿na jest wiêc dba³oœæ o niestwarzanie
dodatkowych zagro¿eñ i próba wyboru upraw roœlin maj¹cych ma³y wp³yw na tê
cechê gleby. Zaobserwowano, ¿e emisja NO2 i NH4 z gleby oraz produkcji nawozów
sztucznych maj¹ bardzo istotny wp³yw na zakwaszenie [2]. Wraz ze wzrostem
intensyfikacji uprawy pszenicy wzrasta udzia³ emisji NH3 w ca³kowitym zakwaszeniu, a zmniejsza siê znaczenie SO2 i NOx [4]. U¿ycie bioetanolu jako paliwa do
maszyn wykorzystanych w uprawie roœlin, mo¿e obni¿yæ zakwaszenie œrodowiska
o 1–2% [2].
Intensyfikacja i rozwój rolnictwa, a tak¿e jego chemizacja, w du¿ym stopniu
wp³ywa na eutrofizacjê wód. Produkcja etanolu z ziarna zbó¿ ma niekorzystny wp³yw
na eutrofizacjê wód, ze wzglêdu na stosowanie du¿ej iloœci nawo¿enia [1]. Bernesson
i in. [2] podaj¹, ¿e najwiêkszy wp³yw na eutrofizacjê mia³y emisje z gleby (ponad 70%),
istotny wp³yw ma równie¿ u¿ycie maszyn, jak równie¿ produkcja nawozów sztucznych. U¿ycie bioetanolu w uprawie roœlin, dodatkowo obni¿a eutrofizacjê o 1–2%.
54
M. Borzêcka-Walker
Podsumowanie
Z badañ LCA wynika, ¿e aby uzyskaæ energiê bardziej przyjazn¹ œrodowisku
nale¿y rozwijaæ zagadnienia zwi¹zane z rolnictwem precyzyjnym, stosowaæ nawo¿enie zgodnie z wymaganiami roœlin w celu zmniejszenia wyp³ukiwania NO3,,
stosowaæ wolno rozk³adaj¹ce siê nawozy azotowe w celu zmniejszenia zakwaszenia
i eutrofizacji, jak równie¿ udoskonaliæ technologie produkcji nawozów w celu
zmniejszenia emisji N2O powoduj¹cych ocieplenie klimatu. Badania nad mo¿liwoœci¹ wykorzystania biomasy w Polsce s¹ coraz bardziej popularne [5, 15, 20, 21], doœæ
dobrze poznane s¹ mo¿liwoœci oraz techniki uprawy. Jednak¿e odczuwalne s¹ braki
w badaniach nad wp³ywem uprawy oraz przetwarzania roœlin energetycznych na œrodowisko. Wa¿ne jest wiêc zintensyfikowanie badañ nad zastosowaniem LCA w badaniach rolniczych. Nale¿y równie¿ pamiêtaæ o wymaganiach stawianych przez Uniê
Europejsk¹ (Dyrektywa 2009/28/EC).
Litertura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Auer S., Haulio m., Lekawska L., Sonnleitner M. 2006. Ethanol vs. Biogas used as car fuels. LCA study in
1N1800 Life Cycle Assessment (pdf).
«http://www.infra.kth.se/fms/utbildning/lca/proects%202006/Group%2010%20(Biofuels%20in%20cars).pdf».
Bernesson S., Nilsson D., Hansson P. 2006. A limited LCA comparing large- and small-scale production of
ethanol for heavy engines under Swedish conditions. Biomass bioenergy 30: 46–57.
Blottnitz H., Curran M.A. 2007. A review of assessment conducted on bio-ethanol as a transportation fuel from
a net energy, greenhouse gas, and environmental life cycle perspective. J. of Cleaner Production 15: 607–619.
Brentrup F., Küsters J., Lammela J., Barraclough P,. Kuhlmann H. 2004: Environmental impact assessment of
agricultural production systems using the life cycle assessment (LCA) methodology II. The application to N
fertilizer use in winter wheat production systems. Europ. J. Agronomy 20: 265–279.
Budzyñski W., Szczukowski S., Tworkowski J. 2009. Wybrane problemy z zakresu produkcji roœlinnej na cele
energetyczne I Kongres Nauk Rolniczych. Nauka Praktyce. Pu³awy: 77–88.
Crutzen P. J., Mosier A. R., Smith K. A., Winiwarter W. 2007. N2O release from agrofuel production negates
global warming reduction by replacing fossil fuels. Atmos. Chem. Phys. 7: 11191–11205.
Curran 2008. Life Cycle Assessment 101.
«http://www.epa.gov/osw/rcc/resources/meetings/rcc-2008/sessions/plenary/life/curran.pdf».
Davis S. C., Anderson-Teixeira K.J., DeLucia E.H. 2009. Life-cycle analysis and ecology of biofuels. Trends in
Plant Science 14; 3: 140–146.
Economic Assessment of Biofuel Support Policies. Summary of OECD Report Directorate for Trade and
Agriculture Press Conference, Paris, 16 July, 2008 «http://www.oecd.org/dataoecd/54/10/40990370.pdf».
Filipek T., Fotyma M., Lipiñski W. 2006. Stan, przyczyny i skutki zakwaszenia gleb ornych w Polsce. Nawozy
i Nawo¿enie 2(27): 7–38.
Freibauer A., Rounsevell M.D.A., Smith P., Verhagen J. 2004. Carbon sequestration in the agricultural soils of
Europe. Geoderma 122: 1–23.
Heller M.C., Keoleian G.A., Mann M.K., Volk T.A. 2004. Life cycle energy and environmental benefits of
generating electricity from willow biomass. Biomass and Bioenergy 29: 1023–1042.
Heller M.C., Keoleian G.A., Volk T. A. 2003. Life cycle assessment of willow bioenergy cropping system.
Biomass and Bioenergy 25: 147–165.
International Energy Agency. Paris: IEA/OECD, 2003 Energy Policies of IEA Countries. IEA statistics-renewable
information. Review. «http://www.iea.org/texbase/nppdf/free/2000/compemdium_2003.pdf».
Jadczyszyn J., Faber A., Zaliwski A., 2008: Wyznaczanie obszarów potencjalnie przydatnych do uprawy
wierzby i œlazowca pensylwañskiego na cele energetyczne w Polsce. Studia i Raporty IUNG-PIB 11: 55–65.
55
[16] Janowicz L. 2006. Biomasa w Polsce. Energetyka 8: 601–604.
[17] Jungbluth N., Frischknecht R., Faist Emmenegger M., Steiner R., Tuchschmid M., Schmutz S. 2007. Life Cycle
Assessment of BTL-fuel production: Final Report. Deliverable: D 5.2.15., ESU-services Ltd., Uster.
«http://www.esuservices.ch/fileadmin/download/jungbluth-2007-Del_5_2_15-LCA-FinalReport.pdf».
[18] Kalstschmitt M., Reinhardt G.A., Stelzer T. 1997. Life Cycle Analisis of biofuels under different environmental
aspects. Biomass and Bienergy 12: 121–137
[19] Kowalski Z., Kulczycka J., Góralczyk M. 2007. Ekologiczna ocena cyklu ¿ycia procesów wytwórczych (LCA).
Wydawnictwo Naukowe PWN: 143 ss.
[20] Kuœ J., Faber A., 2009: Produkcja roœlinna na cele energetyczne a racjonalne wykorzystanie rolniczej
przestrzeni produkcyjnej Polski. I Kongres Nauk Rolniczych . Nauka Praktyce. Pu³awy: 63–75.
[21] Kuœ J., Faber A., 2007: Alternatywne kierunki rozwoju produkcji rolniczej. Studia i Raporty IUNG-PIB 7:
139–149.
[22] Rosenberger A., Kaul H.-P., Seen T., Aufhammer W. 2001. Improving the energy balance of bioethanol
production from winter cereals: the effect of crop production intensity. Applied Energy 68: 51–67.
[23] Sims T., Taylor M., Saddler J., Mabee W. 2008. From 1st to 2nd generation biofuel technologies. IEA
Bioenergy. <http://www.ftconferencs.com/userfiles/file/Berndes%20Goran_2nd_generation_Biofuels.pdf».
[24] The Royal Society 2008. Sustainable biofuels: Prospects and Challenges. The clyvedon Press W:
«http://royalsociety.org/displaypagedoc.asp?id=28914».
[25] Zah R., Böni H., Gauch M., Hischier R., Lehmann M. Wäger P., 2007. Life Cycle Assessment of energy production:
environmental assessment biofuels. Materials Science and Technology. Federal Office for Energy (BFE), Bern
«http://www.bfe.admin.ch/dokumentation/energieforschung/index.html?lang=en&publication=9146».
Life cycle assessment application
in biomass production for energy purposes
Key words: Life Cycle Assessment, biomass, biocrops
Summary
Life cycle assessment is a new technique in assessing environmental risks associated with production. LCA can be used to estimate the impact of bioenergy crops on
the environment. The main goal of the LCAmethod is to demonstrate all the factors associated with the product that can have an impact on the environment. LCA research
shows that in order to obtain more environmentally-friendly energy there has to be
a development of certain procedures, and these include fertilizer use in accordance to
the requirements of plants in order to reduce NO3 leaching. There may also be the deployment of nitrogen applications to reduce acidification and eutrophication as well as
improved technology in the production of fertilizers to reduce N2O emissions that
cause global warming.
nr 3/2010: 57–68
Zagadnienia ugniatania gleby
w œwietle XVIII konferencji Miêdzynarodowej
Organizacji Badañ Uprawy Gleby (ISTRO)
w Turcji (15–19 VI 2009 r.)
1
2
Jerzy Buliñski1, Zbigniew Majewski2
Katedra Maszyn Rolniczych i Leœnych, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji
Katedra Organizacji i In¿ynierii Produkcji, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji
Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa
e-mail:
S³owa kluczowe: technologie uprawy, ugniatanie gleby, konferencja ISTRO
Wstêp
XVIII Konferencja naukowa zatytu³owana „Zrównowa¿one rolnictwo” pod patronatem Miêdzynarodowej Organizacji Badañ Uprawy Gleby (International Soil
Tillage Research Organization – ISTRO) zorganizowana przez Katedrê Maszyn
Rolniczych Wydzia³u Rolniczego Uniwersytetu Ege w Izmirze (Turcja) odby³a siê
w dniach 15–19 czerwca 2009 roku. W konferencji wziêli udzia³ naukowcy i przedstawiciele instytucji naukowo-badawczych z ca³ego œwiata. Zg³oszone na Konferencjê materia³y przedstawiono w formie referatów i posterów. Materia³y podzielono
na 8 sekcji tematycznych:
T1 – Uprawa konserwuj¹ca, siew bezpoœredni i zastosowania systemu bezuprawowego;
T2 – Zrównowa¿one gospodarowanie lasem;
T3 – Rekultywacja terenów zdegradowanych;
T4 – Ugniatanie gleby: przyczyny, skutki i ograniczanie;
T5 – Dynamika gleby i w³aœciwoœci trakcyjne;
T6 – Gospodarowanie gleb¹ jako narzêdzie ograniczania erozji, wymywania sk³adników pokarmowych i emisji gazów cieplarnianych;
T7 – Produkcja biopaliw;
T8 – Jakoœæ biologiczna i stan gleby.
Udzia³ tematów w poszczególnych sekcjach przedstawia rysunek 1.
J. Buliñski, Z. Majewski
58
70
63
Liczba referatów
60
50
40
36
30
20
20
16
7
10
10
9
7
0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Sekcje tematyczne
Rysunek 1. Zestawienie liczby wyst¹pieñ w poszczególnych sekcjach konferencji [Ÿród³o: opr.
w³asne na podst. mat. konf.]
Porównuj¹c przedstawione na rysunku liczbowe udzia³y wyst¹pieñ w poszczególnych sekcjach mo¿na zauwa¿yæ, ¿e prawie 90% poruszanych tematów by³o
poœwiêconych zagadnieniom dba³oœci o stan gleby, jako oœrodka wzrostu i rozwoju
roœlin. Szczególne zainteresowanie wœród zg³oszonych tematów budzi³y problemy
uprawy bezorkowej i ugniatania gleby. Zagadnienia te w pewnym stopniu siê przenikaj¹, albowiem jedna z koncepcji zmniejszenia skutków ugniecenia gleby dotyczy
technologii uwzglêdniaj¹cej zmniejszenia udzia³u zabiegów uprawowych, w tym
ca³kowite wyeliminowanie orki. Przyjmuj¹c pewne uogólnienia, prezentowan¹ tematykê referatów mo¿na podzieliæ na 4 zakresy problemowe:
l zmiany w³aœciwoœci gleby pod wp³ywem ugniatania;
l wp³yw systemów uprawy, zabiegów technologii prac polowych na w³aœciwoœci
gleby i warunki rozwoju roœlin;
l wp³yw parametrów techniczno-eksploatacyjnych agregatów ci¹gnikowych na
ugniatanie gleby;
l metody okreœlania i prognozowania zmian stanu gleby.
Zmiany w³aœciwoœci gleby pod wp³ywem ugniatania
Wp³yw intensywnych zabiegów w zmechanizowanych technologiach prac polowych na degradacjê gleby jest uznawany za problem o ogólnoœwiatowym zasiêgu.
Waga tego problemu roœnie wraz ze wzrostem masy poruszaj¹cych siê po polu
agregatów rolniczych i du¿¹ czêstotliwoœci¹ wykonywanych przejazdów, zw³aszcza
w niekorzystnych warunkach glebowych.
Zagadnienia ugniatania gleby …
59
Du¿e znaczenie dla zakresu zmian zachodz¹cych w glebie, ma czas oddzia³ywania naprê¿eñ na rozpatrywan¹ warstwê gleby. Badania Reicherta i in. [19] dotycz¹ce zmian mechanicznych w³aœciwoœci 3 ró¿nych gleb, o ró¿nym systemie u¿ytkowania, poddanych testom obci¹¿enia zró¿nicowanym pod wzglêdem czasu trwania
(600 i 7200 s) w 4 poziomach warstwy uprawowej pola (0,0–0,07 m, 0,10–0,15 m,
0,25–0,30 m i 0,40–0,45 m) wykaza³y, ¿e gleby gliniaste s¹ bardziej podatne na
ugniatanie i zmiany w³aœciwoœci strukturalnych. Stwierdzono, ¿e przewodnoœæ hydrauliczna gleby by³a parametrem najbardziej podatnym na zmiany wynikaj¹ce
z pogorszenia siê struktury gleby pod wp³ywem ugniatania, natomiast przepuszczalnoœæ powietrzna, porowatoœæ i gêstoœæ gleby zmienia³y siê w stopniu statystycznie nieistotnym. Stwierdzono, ¿e na glebach o wiêkszej zawartoœci piasku,
trwa³oœæ struktury w warunkach d³ugookresowego braku zabiegów uprawowych
w stosowanych technologiach by³a zbli¿ona do stanu typowego dla u¿ytków zielonych z wypasem byd³a.
Nowoczesne zmechanizowane rolnictwo charakteryzuje siê du¿ymi nak³adami
energii mechanicznej przekazywanej do gleby podczas przejazdów agregatów rolniczych i w trakcie wykonywania prac polowych. Mo¿e to znaleŸæ odzwierciedlenie
w postaci niekorzystnych zmian struktury gleby i jej oddzia³ywaniu na warunki
rozwoju roœlin [4]. Prowadzone w tym zakresie badania na piasku gliniastym mia³y na
celu porównanie w³aœciwoœci gleby na obiektach: ugniatanym, spulchnianym przy
u¿yciu maszyny rotacyjnej i obiekcie kontrolnym, bez zabiegów. Oddzia³ywanie
mechaniczne by³o zwi¹zane z zabiegami nawo¿enia mineralnego lub organicznego.
W³aœciwoœci gleby na poletkach badawczych okreœlano poprzez pomiary zawartoœci
wêgla organicznego, masy mikrobiologicznej, retencji wodnej, przepuszczalnoœci
powietrznej, dyfuzji gazu. Stwierdzono, ¿e nawo¿enie organiczne zwiêksza³o poziom
wêgla organicznego w glebie i biomasy mikrobiologicznej. Gleba na obiektach
nawo¿onych organicznie charakteryzowa³a siê wiêksz¹ porowatoœci¹, ni¿ na obiektach z nawo¿eniem mineralnym. Dzia³ania ugniataj¹ce usuwa³y te ró¿nice, zmniejsza³y pojemnoœæ porów powietrznych przepuszczaj¹cych powietrze na zasadzie
konwekcji lub dyfuzji. Dzia³ania z u¿yciem maszyny rotacyjnej powodowa³y, ¿e
poziom mierzonych parametrów by³ zbli¿ony do uzyskiwanego na obiekcie bezuprawowym. Wed³ug Penga i in. [18] mechaniczne naprê¿enia pochodz¹ce od kó³
ci¹gnika oraz narzêdzi i maszyn rolniczych nie zmieniaj¹ objêtoœci porów najmniejszych, elastycznych, lecz efekt ich dzia³ania dotyczy g³ównie makroporów, o sztywnej budowie. W glebach pêczniej¹cych, objêtoœæ porów elastycznych nie zale¿y od
mechanicznych naprê¿eñ powstaj¹cych w wyniku nawil¿ania, podczas gdy czêœæ
makroporów o sztywnej budowie, o œrednicy odpowiadaj¹cej potencja³owi wodnemu
powy¿ej 30 kPa ulega zagêszczeniu.
Stosowane systemy uprawy powinny uwzglêdniaæ poprawê w³aœciwoœci gleby,
poprzez utrzymanie na odpowiednim poziomie wa¿nych ze wzglêdów ekologicznych
parametrów, zwi¹zanych z przemieszczaniem siê powietrza i wody w glebie.
60
Systemy wykonywania zabiegów polowych powinny uwzglêdniaæ równie¿ miejscowe uwarunkowania terenu. Wzrost powierzchni uprawy i zwi¹zanych z tym zabiegów mechanicznych w coraz wiêkszym stopniu dotyczy równie¿ terenów pagórkowatych o ró¿nym stopniu nachylenia sk³onu. Przeprowadzone badania [23] nad wp³ywem uprawy wykonywanej na terenie o nachyleniu 8% i na p³askim na niektóre
w³aœciwoœci fizyczne gleby wykaza³y, ¿e na sk³onach o nachyleniu 8% uzyskano istotne
pogorszenie w³aœciwoœci warstwy uprawnej pod wzglêdem zawartoœci wêgla organicznego, struktury gruboziarnistej, stabilnoœci agregatów, gêstoœci i zwiêz³oœci gleby.
Pogorszenie w³aœciwoœci fizycznych gleby niekorzystnie wp³ywa³o na jej funkcje,
pogarszaj¹c stosunki powietrzno-wodne. Najwiêksze ró¿nice stwierdzono w miêdzyrzêdziach roœlin w warstwach podpowierzchniowych (0–10 i 10–30 cm).
Zawartoœæ wody w glebie mo¿e istotnie wp³ywaæ na przenoszenie naprê¿eñ w g³¹b
warstw profilu. W badaniach Lamandé i Schjønninga [10] dotycz¹cych zmian pionowych naprê¿eñ powstaj¹cych pod ko³em (800/50R34) obci¹¿onym si³¹ 60 kN (ciœnienie
w oponie 100 kPa), przeprowadzonych na glebie o zawartoœci gliny 20%, wykorzystano
czujniki nacisku, które umieszczono na g³êbokoœci 0,3, 0,6 i 0,9 m pod miejscem przejazdu ko³a. Stwierdzono, ¿e wraz ze wzrostem zawartoœci wody w glebie powiêksza³a
siê powierzchnia styku opony z pod³o¿em i zmniejsza³a siê wartoœæ naprê¿eñ powstaj¹cych na powierzchni styku opony z gleb¹, jak równie¿ wartoœci maksymalnych
naprê¿eñ odnotowanych na g³êbokoœciach 0,3 i 0,6 m. Wzrost zawartoœci wody w glebie prowadzi³ do zmniejszenia wartoœci naprê¿eñ na mniejszych g³êbokoœciach. Potwierdza to opiniê o t³umi¹cym dzia³aniu wody wype³niaj¹cej pory glebowe.
Istotnym zjawiskiem ze wzglêdu na niekorzystne nastêpstwa jest osiadanie
œwie¿o uprawionej gleby w wyniku intensywnych opadów, prowadz¹ce do jej ponownego znacznego zagêszczenia. Proces ten mo¿e zachodziæ bez oddzia³ywania zewnêtrznych obci¹¿eñ i na ró¿nych typach gleb mo¿e charakteryzowaæ siê ró¿n¹
intensywnoœci¹ oraz zakresem wp³ywu na zmiany w³aœciwoœci gleby. W celu okreœlenia zakresu i charakteru zmian zachodz¹cych w glebie pod wp³ywem nawil¿ania, Hao
i in. [8] wykonali badania na glebie piaszczystej zaoranej na g³êbokoœæ 20 lub 40 cm
z powierzchni¹ p³ask¹ i z utworzonymi grzbietami i bruzdami. Obiekty by³y nawil¿ane w zbli¿onej dawce w sposób naturalny (opady) lub zalewowo. Badacze
stwierdzili, ¿e w obydwu rodzajach nawil¿ania obiektów nastêpowa³ silny wzrost
gêstoœci gleby, szczególnie w warstwie do g³êbokoœci 20 cm. Stwierdzono równie¿, ¿e
w wyniku silnego nawil¿ania nastêpowa³o przemieszczanie siê cz¹stek piasku w kierunku dna bruzdy, prowadz¹c do zasklepiania siê powierzchni pola; obserwowano
obni¿enie siê powierzchni od 2 do 5 cm, co z kolei sprzyja³o wzrostowi nacisków
w g³êbszych warstwach rozpatrywanego profilu gleby. Badacze oceniaj¹, ¿e zjawisko
osiadania gleby zale¿y od jej rodzaju, klimatu i warunków wykonania zabiegów
uprawowych.
Wielu badaczy wskazuje, ¿e ka¿da gleba ma swoisty uk³ad parametrów fizycznych i mechanicznych, przy których zachodz¹ najkorzystniejsze warunki do jej
61
uprawy. Badania podjête w tym zakresie przez Gülsera i in. [7], uwzglêdniaj¹ce takie
parametry gleby jak: pojemnoœæ wodna, gêstoœæ objêtoœciowa, stan nasycenia wod¹,
granica Atterberga, wskaŸnik konsystencji, dostêpnoœæ wody, opór penetracji, pozwoli³y okreœliæ korelacje zachodz¹ce miêdzy niektórymi parametrami oraz zakres
wilgotnoœci gleby, w którym mo¿na wykonywaæ zabiegi uprawowe bez zagro¿enia
deformacjami struktury gleby. Badaniami polowymi zmian struktury gleby zagêszczanej w ró¿ny sposób, jej funkcjonalnych powi¹zañ z uk³adem i aktywnoœci¹ organizmów glebowych, zajmowali siê Weisskopf i in. [26]. Rozpatrywano trzy systemy
zagêszczania powierzchni gleby: pojedyncze zagêszczenie na pocz¹tku badañ, corocznie powtarzane zagêszczenie wraz z naturaln¹ regeneracj¹ warstwy uprawnej,
pojedyncze zagêszczenie gleby na pocz¹tku eksperymentu wraz ze spulchniaj¹c¹
upraw¹ p³u¿n¹. Strukturê gleby charakteryzowano okreœlaj¹c w nienaruszonych
próbkach objêtoœæ makroporów, porowatoœæ ca³kowit¹, jak równie¿ przepuszczalnoœæ powietrzn¹. Œrodowisko glebowe charakteryzowano przez objêtoœciow¹ zawartoœæ wody i stê¿enie CO2 w powietrzu glebowym. Wyniki analizy potwierdzi³y, ¿e
przyjête sposoby ugniataj¹cego oddzia³ywania na glebê prowadzi³y do pogorszenia
w³aœciwoœci warstwy powierzchniowej gleby nie tylko pod wzglêdem iloœciowym,
lecz tak¿e jakoœciowym. £agodzenie skutków powierzchniowego ugniecenia gleby
w sposób naturalny prowadzi³o do oczywistych ró¿nic w strukturze gleby w porównaniu z ³agodzeniem skutków poprzez uprawê. Efektem wizualnym by³o tworzenie siê
szczelin miêdzy bry³ami zagêszczonej gleby, odmienne ni¿ relacje pomiêdzy objêtoœci¹ makroporów i przepuszczalnoœci¹ powietrzn¹. Oddzia³ywanie ró¿nych uk³adów
struktury gleby na œrodowisko by³o silnie zale¿ne od warunków wilgotnoœciowych.
Zagêszczenie gleby zmniejsza³o powietrzn¹ porowatoœæ gleby i objawia³o siê wyraŸnym zmniejszeniem koncentracji CO2 w powietrzu glebowym. Warunki powietrzne
w próbkach glebowych pola poddanego ugnieceniu wyraŸnie ró¿ni³y siê od próbek
z odcinków kontrolnych nie poddanych naciskom. Badania Margrafa i in. [13] wskazuj¹ te¿, ¿e odpowiednie nawo¿enia mineralne, zwiêkszenie zawartoœci substancji
organicznej [2] w d³ugoterminowej ocenie mo¿e mieæ tak¿e istotny wp³yw na zmiany
fizycznych i mechanicznych w³aœciwoœci gleb i poprawiæ jej jakoœæ.
Wp³yw zabiegów polowych na w³aœciwoœci gleby
i warunki rozwoju roœlin
Prawid³owa uprawa u¿ytków zielonych jest wa¿nym zagadnieniem z wielu
wzglêdów. Powierzchnia zajmowana przez ten sposób u¿ytkowania gleby zajmuje
ponad po³owê gleb u¿ytkowanych rolniczo na œwiecie. U¿ytki zielone zapewniaj¹c
podstawowe Ÿród³o pokarmu dla zwierz¹t, spe³niaj¹ te¿ wa¿n¹ rolê w gospodarce
wodnej gleb, a tak¿e w gospodarce dwutlenkiem wêgla, zmniejszaj¹c jego iloœæ
dostaj¹c¹ siê do atmosfery. Dla prawid³owego rozwoju roœlin w tym systemie uprawy,
62
du¿e znaczenie ma odpowiednia iloœæ porów w glebie oraz ich struktura i uk³ad
w strefie rozwoju korzeni roœlin. Zagadnienia wp³ywu systemów uprawy u¿ytków
zielonych na strukturê porów glebowych by³y obiektem badañ [12], w których
porównywano dwa systemy uprawy – tradycyjny (orka) i uprawa pionowa (g³êbosz)
o jednakowej g³êbokoœci pracy (0,25 m) z systemem bezuprawowym. Stwierdzono,
¿e sposób uprawy wp³ywa³ na wielkoœæ i kszta³t porów. Tradycyjny system orkowy
z wykorzystaniem korpusu p³u¿nego powodowa³ mniejsze uszkadzanie struktury
gleby, co znajdowa³o odzwierciedlenie w wiêkszej zawartoœci porów i lepszej ich
strukturze prowadz¹c do lepszej cyrkulacji wody w glebie. Uprawa gleby g³êboszem
prowadzi³a do zmniejszenia iloœci porów w trzech rozpatrywanych przekrojach
œrednic, tj. poni¿ej 2 mm2, od 0,1 do 2 mm2 i poni¿ej 0,02 mm2.
Problemem oceny oddzia³ywania uprawy konwencjonalnej na jakoœæ parametrów gleby zajmowa³ siê Gajda [6]. Wychodz¹c z za³o¿enia, ¿e zawartoœæ biomasy oraz
cz¹stek organicznych w glebie jest dobrym wskaŸnikiem zmian jej jakoœci, autor
prowadzi³ d³ugotrwa³e badania polowe na glebach ciê¿kich, w których porównywano
rozwój pszenicy ozimej uprawianej w systemie uprawy tradycyjnej (orka) z systemem uprawy uproszczonej z zastosowaniem kultywatora o zêbach sztywnych. System uproszczonej uprawy, w warunkach prowadzonych pomiarów, okaza³ siê bardziej
przyjazny dla œrodowiska, prowadz¹c do istotnie wiêkszej zawartoœci mikrobiologicznej biomasy w warstwach 0–15 cm i 15–30 cm i do wzrostu mikrobiologicznej
aktywnoœci badanych gleb. Szybkoœæ wydzielania siê CO2 i aktywnoœæ dehydrogenazy by³a najwiêksza w systemie uprawy uproszczonej. W okresie trzech lat trwania badañ stwierdzono zmniejszenie siê frakcji organicznej w systemie orkowym,
natomiast nie stwierdzono statystycznie istotnych ró¿nic na obiektach z systemem
uprawy uproszczonej.
Jedn¹ z metod ograniczaj¹cych wielkoœæ powierzchni ugniatanej ko³ami jest
technologia ze œcie¿kami przejazdowymi, sprowadzaj¹cymi ruch agregatów rolniczych do œciœle wytycznych pasów na powierzchni pola. Zagadnieniem tym zajmowali siê Mouazen i Palmqvist [14] okreœlaj¹c wp³yw oddzia³ywania systemu „œcie¿kowego” na warunki prowadzenia gospodarstw rolnych. Autorzy wykazali, ¿e system
ten wnosi wymierne korzyœci dla œrodowiska w postaci ograniczenia ugniecenia gleby
(o 24%), zmniejszenia zapotrzebowania na energiê do uprawy gleby (10%), zwiêkszenia zró¿nicowania biologicznego gleby (7%), opanowania procesów erozyjnych
(6%), ochrony materii organicznej (6%), poprawy wykorzystania nawozów mineralnych (3%) i ograniczenia emisji gazów cieplarnianych (3%). Autorzy zalecaj¹
stosowanie systemu œcie¿ek w gospodarstwach rolnych wszêdzie tam, gdzie to
mo¿liwe, a spodziewane korzyœci mo¿na prognozowaæ przy uwzglêdnieniu parametrów gleby, warunków topograficznych, rodzaju stosowanych maszyn. W prognozowaniu nale¿y równie¿ uwzglêdniæ rodzaj uprawianych roœlin. Badania Reintama i in.
[20], prowadzone na u¿ytkach zielonych z trzema gatunkami traw, zagêszczanych
przejazdami trzytonowej przyczepy (œlad obok œladu) wykaza³y, ¿e tylko jeden
63
z gatunków badanych traw wyraŸnie reagowa³ zmniejszeniem objêtoœci masy korzeniowej w rozpatrywanej warstwie profilu glebowego. Odnosz¹c siê do literatury
badacze podaj¹, ¿e przy stosowanej zwiêz³oœci gleby przekraczaj¹cej 2 MPa, w wypadku wiêkszoœci roœlin uprawnych warunki te powodowa³y, ¿e korzenie by³y krótsze
i cieñsze. Szczególnie w uprawie buraków cukrowych opór penetracji bêd¹cy wskaŸnikiem zwiêz³oœci gleby jest wa¿nym wskaŸnikiem fizycznych w³aœciwoœci gleby
istotnych dla stworzenia prawid³owych warunków rozwoju tych roœlin [3]. Prawid³owy rozwój masy korzeniowej roœlin prowadzi z kolei do stabilizacji struktury gleby
[25]. Korzenie roœlin swoj¹ powierzchni¹ oddzia³uj¹ na gruze³kowatoœæ gleby tworz¹c sieæ powi¹zañ stabilizuj¹c¹ i wzmacniaj¹c¹ strukturê roli. Wed³ug badaczy to
wzmacniaj¹ce dzia³anie korzeni zale¿y od cech charakteryzuj¹cych system korzeniowy, np. liczba i typ korzeni, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie. Badania prowadzone na
u¿ytkach zielonych wykaza³y, ¿e takie parametry systemu korzeniowego jak d³ugoœæ
czy zagêszczenie zmniejsza³y siê liniowo wraz ze wzrostem zagêszczenia gleby,
a wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie zmniejsza³a siê statystycznie istotnie wraz ze wzrostem ich œrednicy.
W przewa¿aj¹cej liczbie publikacji z zakresu ugniatania gleby jako g³ówn¹
przyczynê tego stanu rzeczy wymienia siê oddzia³ywanie uk³adów jezdnych pojazdów rolniczych wykonuj¹cych prace polowe. Znaczne szkody zwi¹zane z uszkodzeniem struktury gleby, zw³aszcza na u¿ytkach zielonych przeznaczonych pod wypas,
mog¹ powodowaæ zwierzêta pogarszaj¹c mechaniczn¹ wytrzyma³oœæ gleby. Badania
Reszkowskiej i in. [21] prowadzone na terenie Mongolii wykaza³y, ¿e cykliczne,
wielokrotne obci¹¿enia powierzchni gleby kopytami owiec i kóz prowadzi³y m.in. do
zmian w funkcjonowaniu porów glebowych, czego wynikiem by³y zmiany w³aœciwoœci wodnych gleby.
Wp³yw parametrów techniczno-eksploatacyjnych
agregatów ci¹gnikowych na ugniatanie gleby
W wiêkszoœci publikowanych prac zwi¹zanych z ugniataniem wskazuje siê, ¿e
g³ówn¹ przyczyn¹ prowadz¹c¹ do nadmiernego zagêszczenia gleb rolniczych s¹
zmiany w technologiach zmechanizowanych prac polowych. Zmiany te wynikaj¹
z ekonomicznych uwarunkowañ wymuszaj¹cych stosowanie wysokowydajnych
agregatów napêdzanych ciê¿kimi ci¹gnikami du¿ej mocy. Z tego wzglêdu wskazuje
siê, ¿e wa¿n¹ rolê w intensywnoœci dzia³ania kó³ pojazdów rolniczych na glebê maj¹
wartoœci parametrów charakteryzuj¹cych pojazd, w tym rozk³ad masy na poszczególne osie, rodzaj i wielkoœæ opon, ciœnienie w ogumieniu, prawid³owoœæ zestawienia
agregatów pod wzglêdem szerokoœci roboczych wykonuj¹cych poszczególne zabiegi
itp. Badania i analizy wykonane przez Buliñskiego i Majewskiego [1] dla 149
wybranych gospodarstw województwa podlaskiego uwzglêdnia³y stosowane agre-
64
gaty i technologie uprawy zbó¿. Autorzy zró¿nicowali technologie ze wzglêdu na
szerokoœci robocze agregatów i wartoœci obci¹¿eñ kó³, sposób wykonywania przejazdów po polu. Wykonano analizê rozk³adu i wartoœci nacisków kó³ na powierzchni
pola agregatów ci¹gnikowych stosowanych w rozpatrywanych technologiach. Badania i analizy wykaza³y, ¿e najwiêksz¹ powierzchniê pola pokryt¹ œladami (61%)
pozostawia³y po sobie agregaty o ma³ej szerokoœci roboczej, przyczepiane do ci¹gnika i poruszaj¹ce siê po polu systemem tradycyjnym. Najkorzystniejszy rozk³ad
œladów i strukturê nacisków otrzymano dla wariantu technologii opartego na œcie¿kach przejazdowych zak³adanych od momentu wykonywania zabiegów uprawy
przedsiewnej. Autorzy stwierdzaj¹, ¿e stosowanie takich technologii wymaga u¿ycia
satelitarnego systemu prowadzenia agregatu po polu (DGPS) od przygotowania pola
do siewu do momentu wzejœcia roœlin, wskazuj¹cych miejsca za³o¿onych œcie¿ek.
Stosowanie œcie¿ek zmniejsza wielkoœæ powierzchni ugniecenia pola, co jest wa¿ne
poniewa¿ ju¿ pojedynczy przejazd ko³a mo¿e prowadziæ do wytwarzania szkodliwych wartoœci naprê¿eñ w ca³ej warstwie ornej [27]. Wœród metod ograniczania
naprê¿eñ powstaj¹cych w glebie pod kolein¹ przejazdu ko³a wymienia siê m.in.
zmniejszenie ciœnienia w ogumieniu i obci¹¿enia osi. Czynniki te maj¹ du¿y wp³yw na
wartoœci jednostkowych nacisków powstaj¹cych na powierzchni styku ko³a z pod³o¿em. Potwierdzaj¹ to doœwiadczenia Mouazena i Godwina [15] przeprowadzone na
dwóch typach gleb (piasek gliniasty i glina piaszczysta) z zastosowaniem opon
diagonalnych i radialnych obci¹¿anych mas¹ 4500 kg przy ciœnieniach w oponie
1,2–1,6–2,2 bar. Zmniejszenie ciœnienia w ogumieniu ogranicza³o zasiêg i wartoœæ
ugniecenia gleby wyra¿onego jej gêstoœci¹ oraz zwiêz³oœci¹
Metody okreœlania i prognozowania zmian stanu gleby
Jednym z wa¿nych zagadnieñ podnoszonych w licznych publikacjach i wyst¹pieniach konferencyjnych zwi¹zanych z niekorzystnymi nastêpstwami dzia³ania kó³
agregatów na glebê jest optymalizacja, obejmuj¹ca zagadnienia: techniczne i eksploatacyjne agregatów rolniczych, a tak¿e technologii zmechanizowanych prac polowych. Wa¿nym kryterium oceny, poza korzyœciami rolnika, powinna byæ mo¿liwoœæ
przywrócenia roli najkorzystniejszego stanu z punktu widzenia wymagañ roœlin
i niedopuszczenia do jej degradacji. W tym œwietle mo¿liwoœæ przewidywania zmian
stanu gleby i znajomoœæ wp³ywu poszczególnych czynników na ekosystem ze wszystkimi jego elementami sk³adowymi ma szczególne znaczenie. Od wielu lat, wraz
z rozwojem techniki i technologii wytwarzania, prowadzone s¹ wielokierunkowe
eksperymenty zmierzaj¹ce do opracowania modeli obliczeniowych i metod prognostycznych umo¿liwiaj¹cych otrzymanie wyników o dok³adnoœci na poziomie akceptowalnym dla praktyki rolniczej. Niew¹tpliwie do tej grupy dzia³añ mo¿na zaliczyæ
prace Nugisa i Müüripeala [16] nad mo¿liwoœci¹ zastosowania metody satelitarnego
wspomagania opartego na DGPS w ocenie ró¿nych niekorzystnych zmian stanu
65
gleby. Obiektem badañ w uprawie zbó¿ s¹ m.in. warunki wzrostu roœlin i w³aœciwoœci
fizyczne gleby – elementy przydatne do prognozowania technologii prac polowych.
Przy ocenie warunków rozwoju roœlin autorzy uwzglêdniaj¹ wp³yw czynników
naturalnych i wynikaj¹cych z dzia³ania maszyn rolniczych.
Zagadnienia dopasowania parametrów technicznych agregatu ci¹gnikowego
w celu ograniczenia podatnoœci gleby na uszkodzenia i poprawy jej przydatnoœci
rolniczej by³y obiektem badañ Shahbaziego i in. [24] prowadzonych na obszarze
4150 ha. Na podstawie 35 miejsc pomiaru parametrów morfologicznych, fizycznych
i chemicznych gleby poddanej naciskom kó³ agregatów rolniczych uczestnicz¹cych
w technologiach prac polowych, wykorzystuj¹c model obliczeniowy wyznaczono
mapê obszarów o ró¿nej (w skali 5. stopniowej) podatnoœci na ugniatanie. Dla tych
warunków okreœlono wartoœæ obci¹¿eñ kó³ agregatu, optymaln¹ ze wzglêdu na
podatnoœæ gleb na dzia³anie nacisków.
Prowadzone s¹ prace [17] nad zastosowaniem metody elementów skoñczonych
w prognozowaniu ugniecenia gleby. Uzyskane wyniki symulacji zmian stanu gleby
poddanej naprê¿eniom okaza³y siê jakoœciowo zgodne z wartoœciami eksperymentalnymi i mog¹ stanowiæ wskazówkê i do wyjaœnienia mechanizmu zmian zachodz¹cych
w podglebiu. Autorzy podkreœlaj¹, ¿e dla uzyskania wiêkszej dok³adnoœci wyników
symulacji, a tak¿e mo¿liwoœci rozszerzenia metody na ró¿ne typy gleb, potrzebne s¹
dalsze badania.
Trzystopniow¹ metodê identyfikacji obszaru zagro¿onego degradacj¹ w wyniku
ugniecenia proponuj¹ Lebert i Marahrens [11]. Identyfikacja polega na okreœleniu
mechanicznej podatnoœci na ugniecenie, okreœleniu jakoœci struktury gleby, a nastêpnie powi¹zaniu w³aœciwoœci gleby charakteryzuj¹cych jej jakoœæ z podatnoœci¹ na
uszkodzenia. Autorzy podkreœlaj¹, ¿e prawie po³owa gleb na obszarze Niemiec jest
wysoce podatnych na ugniecenie i zale¿noœæ ta zwi¹zana jest silnie z ich wilgotnoœci¹.
Prowadzone s¹ równie¿ doœwiadczenia [5] zmierzaj¹ce do systemowego dzia³ania
w celu ograniczenia negatywnych skutków ugniecenia gleb rolniczych. Proponowane
rozwi¹zania obejmuj¹ tworzenie map glebowych, typowych dla rolnictwa precyzyjnego, ukazuj¹cych podatnoœæ gleby na ugniecenie, stanowi¹ce pomocne narzêdzie
przy planowaniu sposobu u¿ytkowania gleb i doboru w³aœciwych zestawów maszynowych pod wzglêdem dzia³ania na glebê. W tym kierunku zmierza równie¿ program
badañ opracowany we Francji [22] zwi¹zany z ocen¹ zagro¿enia gleb ugnieceniem,
w celu opracowania zasad ich ochrony. Program ten jest ukierunkowany na ocenê
wp³ywu ugniecenia gleby na produkcjê rolnicz¹ i œrodowisko, stworzenie map
zagro¿enia ugnieceniem gleb we Francji, okreœlenie efektywnych narzêdzi i metod
zapobiegania ugnieceniu gleb, mo¿liwych do zastosowania przez rolników. W podjêtych pracach wykorzystywano ³¹czone modele biofizyczne i ekonomiczne w celu
oceny czêstotliwoœci wystêpowania zagro¿eñ ugniecenia gleby i ich oddzia³ywania
na plonowanie roœlin, œrodowisko i efekty ekonomiczne gospodarstw w zale¿noœci od
typu gleby, warunków klimatycznych, stosowanych narzêdzi i maszyn. W prowadzo-
66
nych analizach rozwa¿ano m.in. takie zagadnienia jak: wp³yw warunków klimatycznych na wilgotnoœæ gleby podczas przejazdów, powi¹zanie zmian gêstoœci gleby podczas przejazdów z w³aœciwoœciami mechanicznymi gleby, wp³yw zagêszczenia gleby
podczas siewu na warunki wzrostu roœlin, emisjê N2O, sp³ywy powierzchniowe.
W celu wyjaœniania zjawisk zwi¹zanych z reakcj¹ gleby na ugniecenie prowadzone s¹ równie¿ badania laboratoryjne [9]. Uzyskiwane ró¿nice wartoœci parametrów
wynikaj¹ g³ównie z odmiennych warunków wykonywania pomiarów. Wed³ug autorów, ocena wytrzyma³oœci gleby na naprê¿enia-odkszta³cenia w laboratoryjnym
teœcie jednoosiowego œciskania nie daje takich samych rezultatów jak w warunkach
polowych. Autorzy dopatruj¹ siê przyczyn zwi¹zanych g³ównie z prêdkoœci¹ dzia³ania obci¹¿eñ, które w warunkach polowych s¹ kilka tysiêcy razy krótsze, ni¿ w warunkach laboratoryjnych. Oznacza to, ¿e nie wszystkie reakcje gleby na obci¹¿enia daj¹
siê prognozowaæ na podstawie badañ prowadzonych w warunkach znacznie odbiegaj¹cych od naturalnych.
Podsumowanie
Przedstawione problemy badawcze obejmuj¹c szeroki zakres zagadnieñ zwi¹zanych z ugnieceniem gleby ukierunkowane s¹ na znalezienie mo¿liwie uniwersalnych
narzêdzi i metod pozwalaj¹cych ograniczyæ niekorzystne nastêpstwa przejazdów kó³
pojazdów rolniczych po polu. Z analizy prezentowanego na konferencji materia³u
wynika, ¿e jednym z istotnych czynników utrudniaj¹cych te dzia³ania jest mnogoœæ
parametrów opisuj¹cych œrodowisko glebowe, a tak¿e ich nieustabilizowana zmiennoœæ w czasie, trudna do prognozowania. Dzia³ania te powinno charakteryzowaæ podejœcie systemowe, wykorzystuj¹ce nowoczesne metody badañ i analizy ukierunkowane na hierarchizacjê czynników z kryterium oceny opartym na intensywnoœci ich
wp³ywu na stan gleby. Doœwiadczenia praktyczne wskazuj¹ na koniecznoœæ intensyfikacji dzia³añ ochraniaj¹cych glebê przed destrukcyjnym wp³ywem technicznych
œrodków produkcji. Powinny one uwzglêdniaæ zarówno potrzeby rolnika, jak i wymagania œrodowiska w zakresie ochrony gleby. Do tego konieczna jest szeroka wiedza
odnoœnie wszystkich czynników wp³ywaj¹cych na reakcjê gleby poddanej dzia³aniom si³ zewnêtrznych w okreœlonych warunkach.
Literatura
Cytowane pozycje literatury to referaty wyg³oszone na konferencji naukowej: International Soil Tillage Research Organization. 18th Triennial Conference „Sustainable Agriculture”. June 15–19 2009 Izmir, Turkey i zamieszczonych w materia³ach konferencyjnych
w sekcji T4 „SOIL COMPACTION: CAUSES, EFFECTS & CONTROL”.
[1]
Buliñski J., Majewski Z. Effect of technical and exploitation parameters of tractor outfits on wheel pressure
loads on the field surface in family farms. T4.015: 1–6.
67
[2]
Busscher W., Novak J., Ahmedna M. Biochar addition to a Southeastern USA coastal sand to decrease soil
strength and improve soil quality. T4.010: 1–4.
[3]
Èervinka J., Pokorný E., Badalíková B. Penetration resistance during different kinds of soil cultivation when
growing sugar beet. T4.029: 1–5.
[4]
Eden M., Schjønning P., De Jonge L.W., Moldrup P. Effects of mechanical impact on soil pore characteristics in
soils with different organic matter content. T4.012: 1–7.
[5]
Fleige H., Horn R., Gebhardt S., Hartmann P., Zink A. Risk assessment of subsoil compaction for arable soils in
Northwest Germany at farm scale. T4.027: 1–13.
[6]
Gajda A.M. Effect of conventional and alternative soil tillage system on microbial biomass and labile fraction of
organic matter content in soil under grown cereals. T4.017: 1–6.
[7]
Gülser C., Selvi K.Ç., IÇ S. Some mechanical properties and workability of soils in a Karadeniz agricultural
research institute field. T4.016: 1–6.
[8]
Hao H., Hartmann Ch., Richard G., Bruand A., Apichart J., Siwaporn S., Dexter A.R. Slumping dynamics of
tilled sandy soils in north-east Thailand. T4.008. 1–7.
[9]
Keller T., Arvidsson J., Rydberg T. In situ stress-strain behaviour during wheeling experiments as compared to
stress-strain behaviour measured in uniaxial compression tests in the laboratory. T4.020. 1–9
[10] Lamandé. M, Schjønning P. Stress transmission in soil: effect of soil water content. T4.007: 1–6.
[11] Lebert M., Marahrens S. Risk area identification according to soil compaction of agricultural soils in Germany.
T4.013: 1–8.
[12] López-Santos A., González-Cervantes G., Cadena-Zapata M., González-Barrios J.L., Arreola-Ávila J.G,
Rodriguez-Lopez J.S. Changes in the soil porosity as a result of tillage in a grassland ecosystem. T4.003: 1–9.
[13] Markgraf W., Horn R., Watts Ch., Whalley R. Long-term effects of fertilizing systems on soil microstructure:
rheological investigations of Rothamsted soils classifying stiffness degradation. T4.025: 1–8.
[14] Mouazen A.M., Palmqvist M. Evaluation of the environmental benefits of controlled traffic farming. T4.019:
1–14.
[15] Mouazen A.M., Godwin D. Effect of tyre type and inflation pressure of pea harvester on soil compaction.
T4.035: 1.
[16] Nugis E., Müüripeal M. Assessment of several damages at field and usability tests by DGPS. T4.002: 1–7.
[17] Okayasu T., Miyazaki T., Kamitsuji N., Mitsuoka M., Inoue E., Fukami K. Numerical soil compaction analysis
on structured soft ground. T4.011: 1–8.
[18] Peng X., Holden N., Horn R. Dynamics of soil structure as a function of mechanical and hydraulic stress.
T4.033: 1–9.
[19] Reichert J.M., Brandt A.A., Horn R., Reinert D.J., Gubiani P.I. Mechanical properties and air and water
permeability of three subtropical soils under different soil uses. T4.004: 1–8.
[20] Reintam E., Trükmann K., Kuht J., Krebstein K., Raave H., Astover A., Randoja D., Leeduks J. Growing
Phalaris arundinacea, Dactylic glomerata and Bromus inermis on compacted soil. T4.018: 1–6.
[21] Reszkowska A., Peth S., Horn R. Cyclic compressibility of grassland soils as affected by grazing in Inner
Mongolia. China. T4.024: 1–13.
[22] Richard G., Roger-Estrade J. A French research program for assessment of soil compaction risks. T4.034: 1–3.
[23] Seguel O., Farías E., Luzio W., Casanova M., Pino I., Parada A.M., Videla X., Nario A. Changes in soil physical
properties on hillsides vineyard (Vitis vinifera). T4.006: 1–9.
[24] Shahbazi F., Jafarzadeh A.A., Shahbazi M.R. Agricultural soil compaction risk impact and land vulnerability
evaluation of Souma Area (Iran), using engineering and technology prediction model of alcor. T4.005: 1–7.
[25] Trükmann K., Horn R., Reintam E. Impact of roots on soil stabilisation in grassland. T4.022: 1–17.
[26] Weisskopf P., Oberholzer H.-R., Rek J. Effect of different compaction impacts and varying subsequent
management practices on soil structure and soil air regime. T4.009: 1–7.
[27] Zink A., Fleige H., Horn R. Effect of wheel load, tire inflation pressure and tillage treatment on stress
distribution and soil physical properties under agricultural land use. T4.021: 1–13.
68
Problems of soil compaction in the light of 18th
ISTRO Conference in Turkey
Key words: tillage technologies, soil compaction, 18th ISTRO Conference
Summary
The papers presented during ISTRO Conference on “Sustainable Agriculture”, in
the section dealing with soil compaction, are discussed in the paper. Presented scientific problems within a wide range of topics related to soil compaction were focused on
finding the possibly universal tools and methods, enabling to reduce adverse effects of
agricultural vehicles’ traffic over the field. The papers covered 4 subject areas connected with: changes in soil properties under compaction, the effect of tillage systems
and field operations’ technologies on soil properties and plant growth conditions, the
effect of technical and operation parameters of tractor outfits on soil compaction, and
the methods for determination and prediction of changes in soil condition.
nr 3/2010: 69–76
Przydatnoœæ istniej¹cych odmian truskawki
do upraw ekologicznych
Lidia Sas Paszt, Edward ¯urawicz, S³awomir G³uszek
Instytut Sadownictwa i Kwiaciarstwa im Szczepana Pieni¹¿ka
ul. Pomologiczna 18, 96-100 Skierniewice
S³owa kluczowe: truskawka, odmiany, ekologia
Wstêp
W œwiecie od wielu lat rozwijana jest produkcja ekologiczna owoców i warzyw,
w tym truskawek. Niestety, jak dotychczas nie ma odmian truskawki specjalnie
przystosowanych do uprawy ekologicznej. Podjêcie przez hodowców prac badawczych nad wyhodowaniem takich odmian jest wyzwaniem bardzo intryguj¹cym, ale
jak na razie w podejmowanych próbach ekologicznej uprawy truskawki wykorzystuje
siê odmiany, które zosta³y wyhodowane dla konwencjonalnych metod produkcji
owoców tego gatunku [10]. Prowadzi siê wiêc badania nad przydatnoœci¹ do uprawy
ekologicznej odmian truskawki dostêpnych na rynku. W krajach europejskich w badaniach tego typu przoduj¹ takie kraje, jak Niemcy, Austria, Dania, Belgia, Szwajcaria, Finlandia, Francja, Norwegia czy W³ochy, czyli kraje, które od dawna rozwijaj¹
produkcjê ekologiczn¹. Poza Europ¹ badania nad przydatnoœci¹ odmian do ekologicznej produkcji truskawek prowadzi siê w USA, a nawet w Brazylii i Urugwaju.
Badania nad przydatnoœci¹ odmian truskawki
do upraw ekologicznych
W Danii oceniano przydatnoœæ 20 odmian truskawki do produkcji ekologicznej na
podstawie oceny takich cech roœlin, jak plon ca³kowity, plon handlowy, wielkoœæ
owoców oraz podatnoœæ owoców i roœlin na choroby – szar¹ pleœñ, m¹czniaka
prawdziwego oraz bia³¹ i czerwon¹ plamistoœæ liœci. W tych badaniach niektóre
odmiany, jak ‘Polka’, ‘Korona’ i ‘Dania’ by³y podatne na szar¹ pleœñ, a wiêc nie by³y
przydatne do uprawy ekologicznej. Odmiany ‘Tenira’i ‘Rafzusen’, chocia¿ wczeœniej
70
L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek
uznawane za przydatne do produkcji ekologicznej, by³y ma³o plenne i wra¿liwe na
choroby. Spoœród wszystkich odmian ocenianych w tym doœwiadczeniu najmniej
podatn¹ na szar¹ pleœñ okaza³a siê odmiana ‘Honeoye’. Bior¹c pod uwagê inne cechy
tej odmiany, w tym wczesnoœæ dojrzewania owoców, uznano, ¿e odmiana ta dobrze
nadaje siê do organicznej produkcji truskawek. Spoœród odmian dojrzewaj¹cych
w œredniej porze dojrzewania owoców ‘Kent’ i ‘Cortina’ plonowa³y obficie, a ich
owoce by³y tylko umiarkowanie podatne na szar¹ pleœñ. W grupie odmian póŸnych
wysokoplennymi okaza³y siê ‘Symphony’ i ‘Pandora’, chocia¿ obie te odmiany
okaza³y siê podatne na plamistoœci liœci [6].
W Austrii oceniano przydatnoœæ do uprawy organicznej 12 odmian (‘Raurica’,
‘Madeleine’, ‘Pavana’, ’Cavendish’, ‘Miranda’, ‘Jewel’, ‘Darselect’, ‘Valeta’, ‘Symphony’, ‘Mira’, ‘Kimberly’i ‘Polka’). Za odmiany standardowe w tym doœwiadczeniu
przyjêto wczesn¹ odmianê ‘Honeoye’ i odmianê o œrednio wczesnej porze dojrzewania owoców – ‘Elsanta’. Oceniano nastêpuj¹ce cechy odmian: wigor roœlin, plon –
ogólny i handlowy, jakoœæ owoców, podatnoœæ owoców na gnicie, podatnoœæ na
m¹czniaka prawdziwego truskawki, bia³¹ i czerwona plamistoœæ liœci, kwieciaka
malinowca i wciornastki. Oceniano tak¿e ró¿ne parametry jakoœci owoców, badano
„shelf-life” owoców oraz wykonano sensoryczn¹ ocenê owoców. Stwierdzono, ¿e
spoœród ocenianej gamy odmian do produkcji organicznej w Austrii najbardziej
przydatne s¹ odmiany ‘Honeoye” i ‘Symphony’ [1].
W innym, bardzo szerokim austriackim doœwiadczeniu, wykonanym w 11 miejscowoœciach, po³o¿onych w 5 regionach Austrii, oceniano 13 odmian, ‘Elsanta’ by³a
przyjêta za odmianê standardow¹. Oceniano podatnoœæ roœlin na wertyciliozê, choroby liœci, szar¹ pleœñ owoców, wielkoœæ i jakoœæ plonowania oraz pora¿enie kwiatostanów przez kwieciaka malinowca. Oceniono tak¿e wra¿liwoœæ roœlin na chlorozê.
Stwierdzono, ¿e spoœród badanych odmian najwy¿sz¹ podatnoœæ na werticyliozê
wykazywa³y roœliny odmiany ‘Elsanta’, podczas gdy ‘Salsa’ i ‘Daroyal’ by³y najbardziej tolerancyjne. Najsilniejszym wigorem odznacza³y siê roœliny odmian ‘Daroyal’,
‘Queen Elisa’, ‘Eva’ and ‘Dora’. Stwierdzono te¿ znaczne ró¿nice w pora¿eniu
kwiatostanów przez kwieciaka malinowca; na odmianach ‘Dora’, ‘Eva’, Queen Elisa’
i ‘Daroyal’ straty powodowane przez tego szkodnika by³y istotnie wy¿sze ni¿ na
roœlinach odmiany ‘Alice’. Najwy¿szy handlowy plon owoców zebrano z póŸnych
odmian, zw³aszcza ‘Salsa’ i ‘Sonata’. Z odmian dojrzewaj¹cych wczeœnie najwy¿szy
plon zebrano z odmiany ‘Darselect’, a nastêpnie z odmian ‘Elsanta’, ‘Daroyal’
i ‘Alba’. Na podstawie zebranych wyników badañ stwierdzono, ¿e spoœród przebadanych odmian do uprawy organicznej w Austrii mog¹ byæ polecane: ‘Alba’, ‘Alice’,
‘Darselect’ i ‘Salsa’. Odmiany ‘Elsanta’ i ‘Sonata’ wprawdzie wyda³y wysoki plon
w warunkach uprawy organicznej, ale by³y silnie pora¿one przez Verticillium dahliae
KLEB., grzyb, który wywo³uje wertyciliozê, odglebow¹ chorobê systemu korzeniowego. Natomiast odmiany ‘Salsa’, ‘Daroyal’, ‘Record’ i ‘Queen Elisa’, jako ma³o
wra¿liwe nadaj¹ siê do uprawy na glebach zainfekowanych przez Verticillium.
Przydatnoœæ istniej¹cych odmian truskawki …
71
Alternatyw¹ dla uprawy odmiany ‘Elsanta’ mog¹ byæ wczesne odmiany, jak ‘Alba’,
‘Clery’, ‘Daroyal’, i ‘Queen Elisa’. Dodaæ jednak trzeba, ¿e odmiany ‘Clery’ i ‘Queen
Elisa’ wyda³y w warunkach uprawy organicznej doœæ niski plon owoców, a ‘Alba’
i ‘Clery’ s¹ tylko czêœciowo tolerancyjne na V. dahliae. Odmiany ‘Divine’ i ‘Dora’
plonowa³y s³abo i by³y podatne na wertyciliozê, podczas gdy odmiana ‘Record’ jest
podatna na gnicie owoców powodowane przez szar¹ pleœñ. Te odmiany nie mog¹ byæ
polecane do uprawy organicznej [27].
W Norwegii, spoœród trzech przebadanych odmian – ‘Korona’, ‘Nora’ i ‘Jansok’,
uprawianych zgodnie z zasadami uprawy organicznej, najwy¿szy handlowy plon
owoców zebrano z odmiany ‘Korona’, niezale¿nie od rodzaju zastosowanej œció³ki do
wyk³adania miêdzyrzêdzi [4].
W Finlandii badano przydatnoœæ do uprawy organicznej odmian ‘Jonsok’
i ‘Bounty’, przy zastosowaniu nawadniania tradycyjnego (zraszacze) i kroplowego.
Odmiana ‘Bounty’ okaza³a siê bardziej przydatna ni¿ odmiana ‘Jonsok’, poniewa¿ jej
owoce by³y mniej podatne na szar¹ pleœñ i mia³y d³u¿szy „shelf-life”. W konkluzji
wyników tego doœwiadczenia stwierdzono, ¿e rezultat w organicznej produkcji
truskawek w wiêkszym stopniu zale¿y od przebiegu pogody w czasie zbioru owoców
i od uprawianej odmiany ni¿ od metody nawadniania [21]. W pracy nad selekcj¹
odmian do produkcji ekologicznej Häkkinen i Törrönen [8] w ekologicznych owocach truskawki odmiany ‘Jonsok’ stwierdzili zwiêkszon¹ produkcjê metabolitów
wtórnych zwi¹zanych z mechanizmami odpornoœci na patogeny glebowe, w porównaniu z owocami z upraw konwencjonalnych. Natomiast odmiany ‘Polka’ i ‘Honeoye’
nie wykaza³y takiej zale¿noœci. Autorzy tej pracy zaobserwowali tak¿e ró¿nice
w zawartoœci zwi¹zków fenolowych w zale¿noœci od miejsca prowadzonych upraw.
Prowadzone s¹ tak¿e badania nad wp³ywem biopreparatów (ekstrakty z glonów
morskich, czosnku i kompostu, roztwór krzemionki oraz preparaty zawieraj¹ce
kultury grzybów Trichoderma oraz grzyba Gliocladium) na plonowanie i jakoœæ
owoców odmiany ‘Jonsok’oraz na wystêpowanie pora¿enia przez szar¹ pleœñ w uprawach ekologicznych [22]. Autorzy Ci zaobserwowali, ¿e aplikacje preparatów nie
wp³ynê³y znacz¹co na wystêpowanie szarej pleœni, natomiast mia³y znacz¹cy wp³yw
na wysokoœæ plonu. Wy¿sze plony uzyskano po zastosowaniu ekstraktu z glonów
i grzyba Gliocladium sp., ni¿ grzyba Trichoderma sp. Prowadzone s¹ tak¿e prace nad
otrzymaniem nowych odmian truskawki odpornych na niektóre choroby grzybowe
np. m¹czniaka prawdziwego [9].
Badania przeprowadzone w Szwecji w latach 1995–1996 wykaza³y du¿¹ przydatnoœæ do uprawy ekologicznej w tamtych warunkach odmian: ‘Kent’, ‘Bounty’,
‘Dania’, ‘Tenira’ i ‘Marmolada’. Natomiast ma³¹ przydatnoœæ do upraw ekologicznych wykaza³y nastêpuj¹ce odmiany: ‘Zefyr’, ‘Korona’ i ‘Lambada’ [za 2]. Inne
badania wskazuj¹ na du¿¹ przydatnoœæ odmian ‘Honeoye’ i ‘Cavendish’ dla upraw
ekologicznych w warunkach szwedzkich, zwracaj¹c jednoczeœnie uwagê na w³aœciwy dobór odmian z zale¿noœci od lokalizacji tych upraw [3].
72
Na £otwie badano dziesiêæ najpowszechniej uprawianych odmian truskawki
w gospodarstwach tradycyjnych, w których na czas badañ zrezygnowano z chemicznej ochrony roœlin i nawozów sztucznych. W badaniach tych najlepsze rezultaty
uzyskano dla odmian: ‘Induka’, ‘Jonsok’, ‘Dukat’ i ‘Korona’. W drugiej turze badañ
posadzono w certyfikowanych gospodarstwach ekologicznych szesnaœcie odmian
truskawki testowanych pod k¹tem odpornoœci na ch³ód, wielkoœci i jakoœci plonu,
wielkoœci owoców oraz odpornoœci na najczêœciej wystêpuj¹ce choroby grzybowe
i szkodniki. Najwy¿szy plon handlowy uzyskano z odmian: ‘Polka’, ‘Bounty’, ‘Pandora’ i ‘Senga Sengana’. Natomiast najlepsz¹ jakoœci¹ owoców charakteryzowa³a siê
odmiana ‘Honeoye’ [11].
Wiele badañ prowadzonych jest w Stanach Zjednoczonych, szczególnie w Kalifornii bêd¹cej najwiêkszym na œwiecie oœrodkiem produkcji truskawek. Badania nad
przyjaznymi dla œrodowiska naturalnego metodami uprawy truskawki prowadzone s¹
od wielu lat. Gliessman i in. [7] porównali konwencjonaln¹ i ekologiczn¹ uprawê
truskawki odmiany ‘Chandler’. Poszukiwano czynników wp³ywaj¹cych na zmniejszenie plonów w okresie konwersji z uprawy tradycyjnej na ekologiczn¹. Roœliny
truskawki uprawiane metodami ekologicznymi da³y ni¿sze plony ni¿ plony z konwencjonalnej uprawy. Jednak¿e, pod wzglêdem dochodowoœci uprawa ekologiczna by³a
porównywalna do upraw konwencjonalnych. W piêciu lokalizacjach Centralnej
Kalifornii Bull i in. badali przydatnoœæ trzynastu produkcyjnych odmian truskawki
oraz dostêpnych na rynku inokulów mikoryzowych do ekologicznej uprawy tych
roœlin. Siedem odmian: ‘Aromas’, ‘Diamante’, ‘Douglas’, ‘Pacific’, ‘Pajaro’, ‘Seascape’, ‘Selva’ badano we wszystkich piêciu lokalizacjach, a odmiany ‘Carlsbad’,
‘Hecker’, ‘Sequoia’, ‘Chandler’, ‘Oso Grande’ i ‘Irvine’ testowano w kilku farmach.
Badano m.in. wp³yw odmiany oraz mikoryzacji na plon, stopieñ od¿ywienia roœlin
oraz stopieñ kolonizacji przez grzyby mikoryzowe. Najlepsze rezultaty uzyskano dla
odmian ‘Pacific’, ‘Aromas’ i ‘Seascape’, które charakteryzowa³y siê znacznie wiêkszym plonem ogólnym i handlowym ni¿ odmiany ‘Diamante’ i ‘Selva’. Obiecuj¹c¹
odmian¹ okaza³a siê odmiana ‘Irvine’, która jest w dalszych badaniach [5]. Papanje
i in. [20] badali mo¿liwoœæ ekologicznej produkcji sadzonek truskawki odmiany
‘Camarosa’ w niskonak³adowym gospodarstwie ekologicznym, w porównaniu do
bardziej profesjonalnych metod produkcji materia³u szkó³karskiego.
W Brazylii badano przydatnoœæ uprawianych tam odmian – ‘Tudla’, ‘Tangi’,
‘Camarosa’, ‘Toyonoca’ i ‘Seascape’ do uprawy ekologicznej, opieraj¹c siê na
plonowaniu roœlin tych odmian i ich podatnoœci na choroby. Stwierdzono, ze wszystkie te odmiany s¹ przydatne do produkcji organicznej. Najbardziej produktywne
okaza³y siê odmiany ‘Tudla’, ‘Tangi’ i ‘Camarosa’, najmniej podatnymi na choroby
liœci by³y ‘Tudla’ i ‘Tangi’[25].
W Urugwaju prowadzono badania hodowlane maj¹ce na celu otrzymanie nowych
odmian, które bêd¹ lepiej przystosowane do lokalnych warunków ni¿ odmiany
importowane. W wyniku prac uzyskano kilka odmian, z których jedna, ‘INIAYvapitá’
rekomendowana jest do uprawy ekologicznej w warunkach polowych [26].
73
W Polsce , w Instytucie Sadownictwa i Kwiaciarstwa w Skierniewicach, w latach
2003–2005 badano wp³yw zró¿nicowanego œció³kowania (substrat torfowy, kora
drzewna, trociny, kompost, s³oma ¿ytnia, substrat mikoryzowy) na wzrost wegetatywny i wielkoœæ plonowania roœlin truskawki odmiany ‘Senga Sengana’ [23].
Badania wykaza³y korzystny wp³yw mikoryzacji oraz œció³kowania substratem torfowym i kompostem na stan od¿ywienia oraz wzrost wegetatywny i plonowanie roœlin
truskawki. Metoda ta mo¿e byæ stosowana powszechnie w uprawie truskawki. Wprowadzenie jej do praktyki sadowniczej wp³ynie na poprawê stanu od¿ywienia roœlin
w sk³adniki mineralne oraz na wzrost i plonowanie, a w konsekwencji ochronê œrodowiska naturalnego i poprawê dochodowoœci gospodarstw sadowniczych. Dziêki
korzystnemu wp³ywowi mikoryzacji roœlin i œció³kowania na wzrost i plonowanie
roœlin oraz braku destrukcyjnego wp³ywu na œrodowisko mo¿liwe jest ich powszechne stosowanie w organicznej, integrowanej i konwencjonalnej uprawie roœlin truskawki.
W Polsce roœnie zainteresowanie produkcj¹ ekologiczn¹ owoców i warzyw,
w tym truskawek. Odmiany zagraniczne, testowane w omówionych wy¿ej doœwiadczeniach, w wiêkszoœci nie nadaj¹ siê do uprawy komercyjnej w Polsce, z uwagi na
ich nisk¹ wytrzyma³oœæ na przemarzanie. Niestety w polskiej literaturze fachowej
brakuje informacji o badaniach nad przydatnoœci¹ odmian truskawki do uprawy
ekologicznej w warunkach klimatyczno-glebowych Polski. Jest wprawdzie opracowanie „Uprawa roœlin jagodowych metodami ekologicznymi” [24], oparte na pracy
zbiorowej „Ekologiczne metody produkcji owoców” pod redakcj¹ E. ¯urawicza
z tego samego roku, ale w obu tych opracowaniach zalecenia odmian do uprawy
ekologicznej opieraj¹ siê na ogólnej wiedzy o ich wartoœci produkcyjnej, uzyskanej
w standardowych, polowych doœwiadczeniach odmianowo-porównawczych, w Polsce
i za granic¹.
W Polsce doœwiadczenia takie prowadzi siê przede wszystkim w Instytucie
Sadownictwa i Kwiaciarstwa w Skierniewicach, obejmuj¹ one zarówno nowe odmiany zagraniczne, jak i odmiany wyhodowane w Polsce. W doœwiadczeniach tych,
oprócz stopnia przezimowania roœlin (podatnoœæ na niskie ujemne temperatury), si³y
wzrostu roœlin, terminu dojrzewania owoców i plonowania od dawna szczegó³owo
ocenia siê u badanych odmian tak¿e podatnoœæ owoców na szar¹ pleœñ, a roœlin na
choroby liœci i wertyciliozê. Podatnoœæ roœlin na wertyciliozê ocenia siê nie tylko
w doœwiadczeniach prowadzonych tradycyjnie, ale tak¿e poprzez wysadzanie roœlin
na tzw. „polu œmierci”, na którym wystêpuje bardzo silne ska¿enie pola grzybem V.
dahliae, który powoduje tê chorobê. Tak prowadzona ocena pozwala na dok³adne
poznanie podatnoœci na choroby roœlin genotypów zagranicznych i polskich [12, 13,
15, 16, 17, 19, 29, 30, 31]. W programie hodowli odmian truskawek, realizowanym
w ISK odmianami zg³oszonymi do rejestru odmian staæ siê mog¹ tylko te genotypy,
które maj¹ wysoki poziom odpornoœci na oceniane choroby.
74
Bior¹c pod uwagê wyniki badañ zagranicznych i polskich, przedstawionych
w wy¿ej cytowanych publikacjach, w Polsce do uprawy ekologicznej mo¿na polecaæ
nastêpuj¹ce odmiany truskawki:
l odmiany wczesne i œredniowczesne: ‘Honeoye’, ‘Kent’ i ‘Salut’;
l odmiany œrednie i œredniopóŸne: ‘Aga’, ‘Onebor’, ‘Dukat’, ‘Elkat’, ’Filon’ i ‘Pegasus’;
l odmiany póŸne: ‘Vikat’, ‘Pandora’;
l odmiany powtarzaj¹ce owocowanie: ‘Selva’ i ‘Albion’.
Dok³adna charakterystyka wymienionych odmian zawarta jest w dostêpnych na
polskim rynku opracowaniach [14, 18, 28, 32, 33].
Podsumowanie
Wysoka wytrzyma³oœæ roœlin na niskie, ujemne temperatury i ma³a podatnoœæ na
choroby to podstawowe warunki przydatnoœci odmian do produkcji ekologicznej.
Trzeba jednak podkreœliæ, ¿e wymienione cechy odmian nie warunkuj¹ sukcesu
w ekologicznej uprawie truskawki. Inne warunki, które w podobnym stopniu decyduj¹ o powodzeniu w ekologicznej produkcji truskawek to czynniki agrotechniczne
Zaliczamy do nich wybór i staranne przygotowanie stanowiska (p³odozmian i przedplon, zwalczenie chwastów trwa³ych przed za³o¿eniem plantacji, ocena stanowiska
pod wzglêdem zagro¿enia przez szkodniki glebowe i zasobnoœæ w sk³adniki pokarmowe), a tak¿e zak³adanie plantacji ze zdrowego materia³u szkó³karskiego (nasadzeniowego), w³aœciwy system uprawy (termin sadzenia i rozstawa) i dobra pielêgnacja
plantacji (nawadnianie, œció³kowanie, niszczenie chwastów i usuwanie roz³ogów).
W Polsce do uprawy ekologicznej mo¿na polecaæ nastêpuj¹ce odmiany truskawki:
l odmiany wczesne i œredniowczesne: ‘Honeoye’, ‘Kent’ i ‘Salut’;
l odmiany œrednie i œredniopóŸne: ‘Aga’, ‘Onebor’, ‘Dukat’, ‘Elkat’, ’Filon’ i ‘Pegasus’;
l odmiany póŸne: ‘Vikat’, ‘Pandora’;
l Odmiany powtarzaj¹ce owocowanie: ‘Selva’ i ‘Albion’.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Barth U., Spornberger A., Steffek R., Blumel S., Altenburger J., Hausdorf H. 2002. Testing of new strawberry
varieties for organic production. 10th Intern. Conf. on Cultivation Technique and Phytopatological Problems in
Organic Fruit-Growing and Viticulture. Proceedings of a conference, Weinsberg, Germany, 4–7 Feb. 2002:
212–216.
Berglund R. 2003. Experiences from organic strawberry trials in Sweden. NJF Seminar No 352, Plant protection
in sustainable strawberry production. vol. 5–6 Nov. 2003: 30.
Berglund R. 2007. Organic production of strawberries – focus on practical applications. Doctoral dissertation.
ISSN 1652-6880, ISBN 978-91-576-7329-9.
Birkeland L., Døving A., Sønsteby A. 2002. Yields and quality in relation to planting bed management of
organically grown strawberry cultivars. Acta Horticulturae 567: 519–522.
Bull C.T., Muramoto J., Koike S.T., Leap J., Shennan C., Goldman P. 2005. Strawberry cultivars and
mycorrhizal inoculants evaluated in California organic production fields. Crop management. Plant
Management Network. USDA, ARS: 10 ss. doi:10.1094/CM-2005-0527-02-RS.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
75
Daugaard H., Lindhard H. 2000. Strawberry cultivars for organic production. Gartenbauwissenschaft 65(5):
213–217.
Gliessman S.R., Werner M.R., Swezey S.L., Caswell E., Cochran J., Rosado-May F. 1996. Conversion to
organic strawberry management changes ecological processes. California Agriculture 50(1): 24–31.
Häkkinen S.H., Törrönen A.R. 2000. Content of flavonols and selected phenolic acids in strawberries and Vaccinium
species: influence of cultivar, cultivation site and technique. Food Research International 33: 517–524.
Hietaranta T., Parikka P. 2009. ‘Suvetar’ and ‘Valotar’ – new strawberry cultivars from MTT breeding
programme. Acta Horticulturae 842: 519–520.
Jemieson A.R. 2006. Developing fruit cultivars for organic production systems: a review with examples from
apple and strawberry. Canadian Journal of Plant Science 86(5): 1369–1375.
Laugale V., Bite A. 2009. Evaluation of strawberry cultivars for organic production in Latvia. Acta Horticulturae 842: 373–376.
Masny A., ¯urawicz E. 2005. Wartoœæ produkcyjna kilku deserowych klonów truskawki hodowli Instytutu
Sadownictwa i Kwiaciarstwa ocenianych w latach 2001–2004. W „Monografia – Zmiennoœæ genetyczna i jej
wykorzystanie w hodowli roœlin ogrodniczych”, wyd. ISK: 339–344.
Masny A., ¯urawicz E. 2005. Ocena wartoœci fenotypowej wybranych genotypów truskawki w kolekcji odmian
Instytutu Sadownictwa i Kwiaciarstwa w Skierniewicach. Zeszyty Naukowe ISK 13: 75–81.
Masny A., ¯urawicz E. 2007. Deserowe odmiany truskawek. OWK 5: 24–26.
Masny A., ¯urawicz E. 2007. Wzrost i plonowanie póŸnych odmian truskawki w warunkach Polski centralnej.
Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu – CCCLXXXIII, Ogrodnictwo 41: 345–349.
Masny A., ¯urawicz E. 2008. Podatnoœæ nowych odmian deserowych truskawki na wertyciliozê w warunkach
polowych. Zeszyty Naukowe ISK 16: 249–255.
Masny A., ¯urawicz E. 2009. Pora¿enie wybranych odmian truskawki (Fragaria × ananassa) przez Verticillium dahliae. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. (w druku).
Masny A., ¯urawicz E. 2009. Uprawa truskawek w polu i pod os³onami. Wyd. Plantpress Sp. z o.o., Kraków.
Meszka B., Masny A., Bielenin A., ¯urawicz E. 2005. Podatnoœæ wybranych genotypów truskawki na
wertyciliozê (Verticillium dahliae KLEB.). W: „Monografia – Zmiennoœæ genetyczna i jej wykorzystanie
w hodowli roœlin ogrodniczych”, Wyd. ISK: 327–332.
Papanje A.V., Cantliffe D.J., Koenig R.L. 2004. Developing a system to produce organic plug transplants for
organic strawberry production. Proc. Fla. State Hort. Soc. 117: 276–282.
Parrika P. 2006. The effect of irrigation method on the quality and shelf-life of strawberry fruit in organic
production. Acta Horticulturae 708: 319–322.
Prokkola S., Kivijärvi P. 2007. Effect of biological sprays on the incidence of grey mould, fruit yield and fruit
quality in organic strawberry production. Agricultural and Food Science 16: 25–33.
Sas Paszt L., ¯urawicz E., Pluta S., Lewandowski M. 2006. Oferta wdro¿eniowa. „Zastosowanie mikoryzacji
œció³kowania w uprawie truskawki”.
Uprawa roœlin jagodowych metodami ekologicznymi. 2005. Praca zbiorowa pod red. Z.S. Grzyba. 2005. Wyd.
Centrum Doradztwa Rolniczego w Brwinowie, Oddzia³ w Radomiu: 43 ss.
Verona L.A.F., Nesi C.N., Scherer E.E., Gheller C., Grossi R. 2005. Strawberry cultivars for organic cultivation
system. Agropecuaria Catarinese 18(2): 90–92.
Vicente E., Giménez G., Manzzioni A., Vilaró F., González M., Cabot M. 2009. Strawberry breeding in
Uruguay. Acta Horticulturae 842: 411–414.
Weissinger H., Spornberger A., Steffek R., Jezik K., Stich K. 2009. Evaluation of new strawberry cultivars for
their potential use in organic farming and in Verticillium-infested soils. European Journal of Horticultural
Science 74: 1, 30–34.
¯urawicz E. 2005. Truskawka i poziomka (praca zbiorowa pod redakcj¹ E. ¯urawicza). Wyd. II, poprawione
i uzupe³nione, PWRiL, Warszawa: 300 ss.
¯urawicz E., Bielenin A. 1995. Wyniki oceny podatnoœci na wertyciliozê najnowszych odmian truskawki. Mat. V
Ogólnopolskiego Zjazdu Hodowców Roœlin Ogrodniczych, Skierniewice, 23–24 lutego 1995, czêœæ II: 219–223.
¯urawicz E., Kruczyñska D., Masny A., Pierzga K. 2004. Field performance of selected domestic and foreign
strawberry cultivars grown at two sites of Poland. Acta Horticulturae 663: 919–922.
¯urawicz E., Kruczyñska D., Masny A. 2005. Wartoœæ produkcyjna najnowszych odmian truskawki
w warunkach Polski Centralnej. Zeszyty Naukowe ISK 13: 69–74.
¯urawicz E., Masny A. 2007. Deserowe odmiany truskawek – czêœæ I. Sad Nowoczesny 2: 39–42.
¯urawicz E., Masny A. 2007. Deserowe odmiany truskawek – czêœæ II. Sad Nowoczesny 3: 60–62.
76
Suitability of existing strawberry cultivars
for organic cultivation
Keywords: strawberry, cultivars, organic production
Summary
High resistance to low, below-zero temperatures and low susceptibility of plants
to diseases are the essential prerequisites of cultivar suitability for organic production.
It must be emphasized, however, that these basic traits do not guarantee success in the
ecological cultivation of strawberry. Among other conditions, which to a similar extent determine how successful organic production of strawberry may be, are
agro-technical factors. They include the selection and careful preparation of the cultivation site (crop rotation and forecrop, eradication of perennial weeds before setting
up a plantation, evaluation of the location in terms of any threats that might be posed
by soil pests, and determination of the levels of nutrients in the soil), and also the use of
healthy nursery plant material (for plantings), the right cultivation system (planting
time and spacing), and good maintenance of the plantation (irrigation, mulching, weed
control, removal of runners). The following strawberry cultivars can be recommended
for organic cultivation in Poland:
l early and medium-early cultivars: ‘Honeoye’, ‘Kent’ and ‘Salut’,
l medium and medium-late cultivars: ‘Aga’, ‘Onebor’, ‘Dukat’, ‘Elkat’, ’Filon’ and
‘Pegasus’,
l late cultivars: ‘Vikat’, ‘Pandora’,
l repeat-fruiting cultivars: ‘Selva’ and ‘Albion’.
nr 3/2010: 77–89
Charakterystyka fungicydów
strobilurynowych z uwzglêdnieniem
problemu odpornoœci fitopatogenów
Urszula Wachowska
Katedra Fitopatologii i Entomologii, Uniwersytet Warmiñsko-Mazurski
10-720 Olsztyn ul. Prawocheñskiego 17
S³owa kluczowe: fungicydy strobilurynowe, mechanizm dzia³ania,
odpornoœæ grzybów
Wstêp
W ostatnim dwudziestoleciu rozwój chemicznych metod ochrony roœlin przed
patogenami zdominowa³o pojawienie siê ca³kowicie nowej grupy zwi¹zków grzybobójczych – fungicydów strobilurynowych. Dominacja ta wynika³a przede wszystkim
z odmiennych, czêsto unikatowych w³aœciwoœci tych fungicydów oraz doskona³ych
wyników aplikacji na polach doœwiadczalnych i produkcyjnych. Ju¿ po czterech
latach od wprowadzenia na rynek pierwszych dwóch fungicydów strobilurynowych
(azoksytrobiny i krezoksymu metylu) preparaty z tej grupy oraz zawieraj¹ce zwi¹zki
o odmiennej budowie chemicznej, ale analogicznym mechanizmie dzia³ania stanowi³y 10% globalnego rynku fungicydów [3, 4, 44].
Niestety ju¿ po kilku latach stosowania fungicydów strobilurynowych w populacjach wielu fitopatogenów pojawi³a siê odpornoœæ polowa i w konsekwencji odpornoœæ praktyczna, co postawi³o pod znakiem zapytania zasadnoœæ stosowania fungicydów strobilurynowych w ochronie wielu gatunków roœlin uprawnych [44].
Celem niniejszego opracowania jest charakterystyka fungicydów strobilurynowych, z uwzglêdnieniem ich budowy, mechanizmu dzia³ania na grzyby i roœliny
chronione oraz próba wyjaœnienia mechanizmu powstawania odpornoœci fitopatogenów na te preparaty.
U. Wachowska
78
Historia i dzieñ dzisiejszy fungicydów strobilurynowych
Odkrycie i wprowadzenie na rynek fungicydów strobilurynowych by³o wynikiem
wieloletniego zainteresowania zespo³ów badaczy grup¹ naturalnych zwi¹zków fungicydowych – pochodnych kwasu b-metoksyakrylowego. Zwi¹zki te produkowane s¹
przez grzyby z gromady Basidiomycota, miêdzy innymi szyszkówkê gorzkaw¹
(Strobilurus tenacellus (PERS.) SINGER) i monetkê bukow¹ (Oudemansiella mucida
(SCHRADER : FRIES) HÖHNEL), które rozk³adaj¹ drewno, ig³y i szyszki [3, 44]. Grzyb
S. tenacellus wytwarza strobilurynê Ai B, zwi¹zki te odkryto w drugiej po³owie lat 70.
ubieg³ego wieku. Stwierdzono, ¿e wykazuj¹ one du¿¹ aktywnoœæ antybiotyczn¹
wobec dro¿d¿y i grzybów strzêpkowych oraz komórek nowotworowych [1]. W 1979
roku opisano oudemasynê produkowan¹ przez grzyb O. mucida. Zwi¹zek ten wykazuje analogiczn¹ aktywnoœæ jak wy¿ej wymienione strobiluryny [2]. Opisany rok
póŸniej myksotiazol, wytwarzany przez bakteriê Myxococcus fulvus (COHN) JAHN,
jest aktywny g³ównie wobec grzybów strzêpkowych [23].
W roku 1992 uzyskano syntetyczne analogi strobiluryny A, azoksystrobinê
i krezoksym metylu. Fungicydy zawieraj¹ce te zwi¹zki znalaz³y siê w sprzeda¿y
cztery lata póŸniej [3, 30] – tab. 1. Charakterystyczn¹ cech¹ azoksystrobiny jest
obecnoœæ reszty (grupy) metoksyakrylowej –O-C=C-C=O, która pe³ni funkcjê farmakoforu. To samo ugrupowanie jest fragmentem pikoksystrobiny [3, 20, 49]. Grupa ta
jest czêœci¹ (E)-metyl b-metoksyakrylatu; obecnego tak¿e w strobilurynie A i oudemasynie A [4]. W przypadku krezoksymu metylu rolê farmakoforu pe³ni reszta
metoksyiminowa –O-N=C-C=O, zawarta w (E)-metyl metoksyiminacetanie. To samo ugrupowanie zawiera moleku³a trifloksystrobiny [53] i metominostrobiny.
W przypadku pyraklostrobiny farmakoforem jest reszta N-metoksykarbaminianu
metylu zawieraj¹ca fragment O-N-C=O [3, 20, 49].
Tabela 1. Fungicydy strobilurynowe (substancje aktywne) stosowane w ochronie roœlin uprawnych [3, 13, 18, 44, 51]
Grupa chemiczna
Nazwa substancji
aktywnej fungicydu
Koncern „odkrywca”
Rok wprowadzenia
na rynek
Metoksyakrylaty
azoksystrobina
ICI
1996
enestrobina
SRICI
w przysz³oœci
pikoksystrobina
Syngenta
2002
Metoksykarbaminiany
pyraklostrobina
BASF
2002
Oksyiminoacetany
krezoksym metylu
BASF
1996
trifloksystrobina
Bayer
1999
metominostrobina
Shionogi
1999
dimoksystrobina
BASF
2006
orysastrobina
BASF
w przysz³oœci
fluoksastrobina
Bayer
2005
Oksyimionoacetamidy
Dihydrodioksazyny
Charakterystyka fungicydów strobilurynowych …
79
W ochronie roœlin stosowanych jest obecnie dziewiêæ substancji aktywnych
z grupy strobiluryn nale¿¹cych do piêciu grup chemicznych (tab. 1). W Polsce wed³ug
danych Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi dopuszczone s¹ do obrotu i stosowania œrodki ochrony roœlin zawieraj¹ce siedem z wymienionych zwi¹zków. Preparaty te
przedstawiono w tabelach 2 i 3. Komitet FRAC (Fungicide Resistance Action
Comitette), zajmuj¹cy siê odpornoœci¹ fitopatogenów na fungicydy, w odniesieniu do
fungicydów strobilurynowych stosuje skrót QoI (Quinone Outsider Inhibitors) i przypisuje tej grupie liczbê 11, jako swoje oznaczenie kodowe, oraz symbol C3, jako
oznaczenie docelowego miejsca dzia³ania fungicydu w komórce grzyba [18].
Tabela 2. Preparaty jednosk³adnikowe zawieraj¹ce substancje aktywne z grupy strobiluryn
dopuszczone do obrotu w Polsce (na podstawie danych MRiRW z wrzeœnia 2009)
Nazwa handlowa Sk³ad (substancje Zawartoœæ substancji
Producent
aktywne)
aktywnej [g · l –1 lub kg–1]
Amistar 250 SC
azoksystrobina
250
Syngenta Limited – Wielka Brytania
Discus 500 WG
krezoksym metylu 500
BASF AG – Niemcy
Ardent 500 SC
krezoksym metylu 500
Makhteshim-Agan – Industries Ltd. –
Izrael
Acanto 250 SC
pikoksystrobina
250
Du Pont International Operations Sarl
– Szwajcaria
Zato 50 WG
trifloksystrobina
500
Bayer CropScience AG – Niemcy
Spektrum zwalczanych patogenów i zakres stosowania
fungicydów strobilurynowych
Fungicydy strobilurynowe s¹ aktywne wobec grzybów z gromad Ascomycota,
Basidiomycota oraz organizmów grzybopodobnych z gromady Oomycota [3]. Daje to
nowe mo¿liwoœci ochrony niektórych wa¿nych gospodarczo roœlin uprawnych przed
szerokim spektrum patogenów, na przyk³ad powoduj¹cych m¹czniaka prawdziwego
i rzekomego [42]. Poszczególne fungicydy strobilurynowe ró¿ni¹ siê miêdzy sob¹
aktywnoœci¹ wobec konkretnych patogenów. Do zwi¹zków o szerokim zastosowaniu
nale¿¹ azoksystrobina i pyraklostrobina, natomiast pikoksystrobina to typowy fungicyd zbo¿owy, a metominostrobina to zwi¹zek przeznaczony g³ównie do ochrony ry¿u
[3, 44]. Dziêki szerokiemu spektrum dzia³ania fungicydy strobilurynowe znalaz³y
w Polsce zastosowanie w ochronie gatunków roœlin uprawnych o kluczowym znaczeniu ekonomicznym, takich jak zbo¿a, rzepak, jab³oñ, truskawka, warzywa (m.in.
cebula, marchew, pomidor i kapusta) oraz roœliny ozdobne (etykiety–instrukcje
stosowania œrodków Amistar 250 SC, Discus 500 WG i Zato 50 WG:
«www.minrol.gov.pl/Informacje bran¿owe/Ochrona roœlin/»).
80
U. Wachowska
Tabela 3. Preparaty z³o¿one zawieraj¹ce substancje aktywne z grupy strobiluryn dopuszczone do obrotu w Polsce (na podstawie danych MRiRW z wrzeœnia 2009 roku)
Nazwa handlowa
Sk³ad (substancje aktywne)
Olympus 480 SC
Allegro 250 SC
azoksystobina + chlorotalonil
krezoksym metylu +
epoksykonazol
krezoksym metylu +
fenpropimorf + epoksykonazol
trifloksystrobina + propikonazol
trifloksystrobina + cyprokonazol
pikoksystrobina + cyprokonazol
Juwel TT 483 SE
Stratego 250 EC
Sfera 267,5 EC
Reveller 280 SC
Zawartoœæ
Producent
substancji
aktywnej
[g · l –1 lub kg–1]
80 + 400
Syngenta Limited – Wielka Brytania
125 + 125
BASF SE – Niemcy
83 + 317 + 83
BASF SE – Niemcy
125 + 125
187,5 + 80
200 + 80
Du Pont International operations
Sarl – Szwajcaria
Opera 183 SE
piraklostrobina + epoksykonazol 133 + 50
BASF AG – Niemcy
Opera Max 147,5 SE piraklostrobina + epoksykonazol 85 + 62,5
BASF AG – Niemcy
Signum 33 WG
piraklostrobina + boskalid
67 + 257
BASF AG – Niemcy
Tercel 16 WG
piraklostrobina + ditianon
40 + 120
BASF AG – Niemcy
Pictor 400 EC
dimoksystrobina + boskalid
200 + 200
BASF SE – Niemcy
Swing Top 183 EC dimoksystrobina + boskalid
133 + 50
BASF SE – Niemcy
Fandango 200 EC fluoksastrobina + protiokonazol 100 + 100
Scenic 080 FS
fluoksastrobina + protiokonazol 37,5 + 37,5 + 5 Bayer CropScience AG – Niemcy
+ tebukonazol
Mechanizm i sposób dzia³ania fungicydów strobilurynowych
W porównaniu do g³ównych grup fungicydów stosowanych na pocz¹tku lat 90.
ubieg³ego wieku zwi¹zki strobilurynowe wyró¿niaj¹ siê nowatorskim mechanizmem
dzia³ania. Polega on na hamowaniu przebiegu mitochondrialnego cyklu oddechowego
w komórkach grzybów. Omawiane fungicydy blokuj¹ przenoszenie elektronów z ubichinolu na cytochrom c1, które odbywa siê poprzez kompleks III ³añcucha oddechowego [3, 4, 13, 14]. Mechanizm ten zwany, cyklem Q, zak³ada istnienie dwóch
przestrzennie oddzielonych miejsc wi¹zania ubichinolu (tutaj nastêpuje utlenienie)
i ubichinonu (tutaj nastêpuje redukcja) [13, 51]. Moleku³a fungicydu strobilurynowego
nie wi¹¿e siê z cytochromem b w miejscu identycznym jak ubichnol, jednak jej
przy³¹czenie powoduje na tyle du¿e zmiany w strukturze cytochromu, ¿e przeniesienie
elektronu miêdzy cytochromem b a cytochromem c1 jest zablokowane [4, 6]. Przerwaniu ulega cykl produkcji ATP, co prowadzi do niedoboru energii w komórce grzyba [3].
Fragmentami moleku³ strobiluryn faktycznie odpowiadaj¹cymi za wy¿ej opisany efekt
s¹ farmakofory. Mechanizm ³¹czenia siê strobiluryn z bia³kiem cytochromu jest szczegó³owo zbadany i zilustrowany na rysunku 1 [3, 20, 22, 44, 50, 53].
Badania dotycz¹ce sposobu dzia³ania azoksystrobiny, krezoksymu metylu, trifloksystrobiny i pyraklostrobiny wskazuj¹, ¿e kie³kowanie zarodników i uwalnianie
81
Rysunek 1. Trzeciorzêdowa struktura cytochromu bc1 blokowana przez azoksystrobinê (na
podstawie [8]): A – pierœcieñ benzenowy ³¹cz¹cy siê z farmakoforem lub ugrupowanie
C=C-w ³añcuchu u naturalnych strobiluryn wykazuje „powinowactwo” do glicyny w pozycji 143,
B – ugrupowanie N-H (reszta amidowa) glutaminy w pozycji enzymu 272 lub proliny w pozycji
271 mo¿e wi¹zaæ siê z atomem tlenu z reszty karbonylowej farmakoforu fungicydu, C – cz¹steczka wody ³¹czy farmakofor z tyrozyn¹ 274 i alanin¹ 128 enzymu
zoospor to fazy rozwojowe fitopatogenów szczególnie wra¿liwe na te zwi¹zki grzybobójcze [3, 30], poniewa¿ wówczas maj¹ one szczególnie du¿e zapotrzebowanie na
energiê. Fungicydy strobilurynowe wykazuj¹ dzia³anie zapobiegawcze i kuratywne.
Natomiast dzia³anie wyniszczaj¹ce lub dzia³anie antysporulacyjne jest rzadko obserwowane. Ten sposób dzia³ania fungicydów strobilurynowych wskazuje, ¿e optymalny termin ich aplikacji powinien wyprzedzaæ infekcjê lub obejmowaæ wczesne fazy
rozwoju procesu chorobowego [3, 47].
Biokinetyka fungicydów strobilurynowych w roœlinie
Mobilnoœæ i redystrybucjê fungicydów strobilurynowych w roœlinie warunkuje
ich du¿e powinowactwo do powierzchni roœliny oraz absorpcja w warstwie wosków.
Niektóre zwi¹zki z tej grupy charakteryzuj¹ siê tak¿e mobilnoœci¹ w ksylemie. Dziêki
temu wybrane fungicydy maj¹ w³aœciwoœci uk³adowe i dzia³aj¹ interwencyjnie i wyniszczaj¹co. Fungicydy strobilurynowe maj¹ du¿¹ aktywnoœæ translaminarn¹. Cz¹steczka fungicydu lokalnie rozprzestrzenienia siê w obszarach miêdzykomórkowych
U. Wachowska
82
i przyk³adowo dociera z górnej na doln¹ stronê powierzchni liœcia. Niektóre fungicydy z tej grupy dyfunduj¹ w fazie gazowej na powierzchniê roœliny i przemieszczaj¹ siê do czêœci nietraktowanej, gdzie ulegaj¹ absorpcji. Ta ostatnia w³aœciwoœæ nie
by³a dotychczas obserwowana wœród fungicydów stosowanych w ochronie roœlin [3,
22, 44, 47, 52]. Okreœlana jest ona jako dzia³anie episystemiczne lub quasiuk³adowe,
a w po³¹czeniu z przemieszczaniem translaminarnym jako dzia³anie mezosystemiczne [44]. Nie wszystkie fungicydy strobilurynowe maj¹ w równym stopniu wymienione w³aœciwoœci (tab. 4). Jedynie u szeœciu stwierdzono dzia³anie uk³adowe. Metominostrobina i orysastrobina mog¹ byæ pobierane przez korzenie roœlin.
Tabela 4. Podstawowe zdolnoœci redystrybucyjne fungicydów strobilurynowych [3, 44, 47]
Substancja
aktywna
Azoksystrobina
Pikoksystrobina
Pyraklostrobina
Krezoksym metylu
Trifloksystrobina
Metominostrobina
W³aœciwoœci
uk³adowe
tak
tak
nie
nie
nie
tak
W³aœciwoœci
episystemiczne
nie
tak
nie
tak
tak
?
W³aœciwoœci
translaminarne
tak
tak
s³abe
s³abe
s³abe
?
Dimoksystrobina
tak
?
?
Orysastrobina
Fluoksastrobina
tak
tak
?
nie
?
tak
Inne
pobieranie przez
korzenie
pobieranie przez
korzenie
Pozytywne oddzia³ywanie fungicydów strobilurynowych
na chronion¹ roœlinê
Oprócz bezpoœredniego dzia³ania grzybobójczego fungicydy strobilurynowe maj¹
w³aœciwoœci, dziêki którym roœliny chronione znajduj¹ siê d³u¿ej w lepszej kondycji
i wy¿ej plonuj¹. Efekt ten zosta³ doœæ dobrze zbadany u zbó¿, zw³aszcza u pszenicy
i jêczmienia. Stosowanie fungicydów strobilurynowych, w porównaniu do programów
ochrony opartych na zwi¹zkach triazolowych, przy zbli¿onej skutecznoœci, pozwala
uzyskaæ wyraŸnie wy¿szy plon ziarna. Na roœlinach traktowanych strobiluryn¹ d³u¿ej
utrzymuje siê powierzchnia zielona (starzenie roœlin opóŸnia siê), co przek³ada siê na
wyd³u¿enie okresu produktywnej asymilacji i wype³niania ziarna. Jest to tak zwany
efekt przed³u¿aj¹cej siê zielonoœci liœcia (ang. green effect) [3, 28, 30].
Innym wyjaœnieniem zjawiska lepszego plonowania roœlin po zastosowaniu fungicydów strobilurynowych jest hipoteza fizjologiczna. Zak³ada ona, ¿e fungicydy te oddzia³uj¹ na kilka istotnych procesów fizjologicznych i stanów biochemicznych roœliny.
Pod ich wp³ywem w procesie fotosyntezy nastêpuje przesuniêcie punktu kompensacyjnego CO2. Zmianom ulegaj¹ procesy transpiracji i biosyntezy etylenu oraz poziom
83
aktywnoœci niektórych enzymów, w tym reduktazy azotanowej, peroksydaz i syntazy
ACC [44]. U roœlin pszenicy traktowanych krezoksymem metylu stwierdzono miêdzy
innymi spadek poziomu kwasu 1-aminocyklopropano-1-karboksylowego (ACC) –
prekursora etylenu i aktywnoœci syntazy ACC, co mia³o prze³o¿enie na ograniczenie
wytwarzania etylenu i dalej na spowolnienie degradacji cytokinin. W konsekwencji
obserwowano wzrost produkcji chlorofilu i opóŸnienie starzenia siê roœlin [30, 52].
Przyczyn¹ efektu wyd³u¿enia zielonoœci liœci roœlin mo¿e byæ tak¿e zdolnoœæ
fungicydów strobilurynowych do hamowania kie³kowania zarodników nie tylko
grzybów fitopatogennych, ale i saprotrofów. Dziêki temu roœlina traci mniej energii
(w domyœle asymilatów) na energoch³onne reakcje obronne wzbudzane przez drobnoustroje [5, 48].
Odpornoœæ fitopatogenów na fungicydy strobilurynowe
Kilka lat po wprowadzeniu do praktyki pierwszych fungicydów strobilurynowych
zaobserwowano zjawisko spadku ich skutecznoœci. Problem ten dotyczy³ ochrony zbó¿
przed m¹czniakiem prawdziwym. By³y to pierwsze sygna³y rozwoju zjawiska, które
zmieni³o pogl¹d na rolê, jak¹ mog¹ pe³niæ fungicydy z tej grupy w ochronie roœlin.
Aktualnie znana jest odpornoœæ polowa kilkunastu fitopatogenów na strobiluryny. W tej
grupie znajduj¹ siê najwa¿niejsze patogeny zbó¿ i roœlin sadowniczych (tab. 5).
W wielu przypadkach odpornoœæ polowa niemal natychmiast przekszta³ci³a siê w odpornoœæ praktyczn¹, co wymusi³o radykalne ograniczenie lub wycofanie fungicydów
strobilurynowych z programów ochrony niektórych roœlin uprawnych [9, 10, 14, 18].
Tabela 5. Odpornoœæ polowa na fungicydy strobilurynowe u patogenów roœlin uprawnych
wystêpuj¹cych w strefie klimatycznej obejmuj¹cej Polskê [9, 16, 17, 25, 29, 31, 37, 47]
Choroba
M¹czniak prawdziwy pszenicy
M¹czniak prawdziwy jêczmienia
Septorioza paskowana liœci pszenicy
Plamistoœæ siatkowa jêczmienia
Brunatna plamistoœæ liœci na pszenicy
Parch jab³oni
Alternarioza ziemniaka
M¹czniak rzekomy ogórka
Patogen
Blumeria graminis f.sp. tritici
Blumeria graminis f.sp. hordei
Septoria tritici (Mycosphaerella graminicola)
Pyrenophora teres
Pyrenophora tritici -repentis
Venturia inequalis
Alternaria solani
Pseudoperonospora cubensis
Rok stwierdzenia
1998 [9,16,31]
1999 [31]
2002 [17, 31]
2003 [47]
2003 [45]
1999 [29, 31]
2002 [31, 37]
1999 [25, 31]
W Polsce problem odpornoœci na strobiluryny jest najlepiej poznany i jednoczeœnie moniotorowany w sadach jab³oniowych, gdzie odporne formy V. inequalis
zidentyfikowano po raz pierwszy w 2003 roku [7, 8].
U. Wachowska
84
Mechanizmy powstawania odpornoœci fitopatogenów
na fungicydy strobilurynowe
Przyczyny uodpornienia populacji fitopatogenów na pochodne strobiluryn s¹
z³o¿one. Zjawisko to wystêpuje na poziomie informacji genetycznej (mutacje w genie
koduj¹cym cytochrom b), na poziomie biochemii komórki (alternatywna œcie¿ka
oddychania) oraz na poziomie biokinetyki komórki (mechanizm aktywnego transportu z komórki poprzez zwi¹zane z b³on¹ bia³ka transportuj¹ce).
Mutacje genu koduj¹cego cytochrom b (CYTB) s¹ podstawowym mechanizmem
warunkuj¹cym odpornoœæ grzybów na strobiluryny. Mutacje genu CYTB zmieniaj¹ce
wra¿liwoœæ na fungicydy strobilurynowe stwierdzono w dwóch regionach koresponduj¹cych z pozycjami koduj¹cymi aminokwasy 129–147 i 256–275 [21, 23, 40]. Dwie
punktowe mutacje genu CYTB odpowiedzialne s¹ za wiêkszoœæ przypadków odpornoœci fitopatogenów, mutacja w kodonie 143, gdzie zamiast glicyny jest kodowana
alanina (G143A) oraz mutacja w pozycji 129 – zamiast fenyloalaniny kodowana jest
leucyna (F129L) [20, 24, 25]. Znane s¹ tak¿e inne mutacje nios¹ce ze sob¹ zmianê
wra¿liwoœci grzybów na strobiluryny [15], na przyk³ad kodowanie argininy zamiast
glicyny w pozycji 137 (G137R) [45]. Jednak mutacja G143A jest najbardziej rozpowszechniona wœród fitopatogenów odpornych i wi¹¿e siê z ca³kowit¹ odpornoœci¹
(wskaŸnik odpornoœci RF > 100), mutacja F129L wi¹¿e siê z czêœciow¹ odpornoœci¹
populacji (RF od 10 do 50) i wystêpuje rzadziej [35]. U niektórych gatunków
wystêpuj¹ obie mutacje [35]. W tabeli 6 przedstawiono mutacje odpowiedzialne za
odpornoœæ u poszczególnych fitopatogenów.
Tabela 6. Uwarunkowanie genetyczne odpornoœci patogenów na strobiluryny wed³ug FRAC [33]
Choroba
M¹czniak prawdziwy pszenicy
M¹czniak prawdziwy jêczmienia
Septorioza paskowana pszenicy
Patogen
Blumeria graminis f.sp. tritici
Blumeria graminis f.sp. hordei
Septoria tritici (Mycosphaerella
graminicola)
Plamistoœæ siatkowa jêczmienia
Pyrenophora teres
Brunatna plamistoœæ liœci na pszenicy Pyrenophora tritici-repentis
Parch jab³oni
Venturia inequalis
Alternarioza ziemniaka
Alternaria solani
Szara pleœñ na truskawce
Botrytis cinerea
M¹czniak prawdziwy ogórka
Podosphaera fusca
M¹czniak rzekomy ogórka
Pseudoperonospora cubensis
Rodzaj mutacji
odpowiedzialnej za odpornoœæ
G143A
G143A
G143A
F129L
G143A; F129L; G137L
G143A
F129L
G143A
G143A
G143A
Bardzo istotnym faktem rzutuj¹cym na ca³okszta³t pod³o¿a genetycznej odpornoœci fitopatogenów na strobiluryny jest fakt, ¿e gen cytochromu b jest czêœci¹
mitochondrialnego DNA (mt DNA) [20]. Ta forma DNA podlega mutacjom co
najmniej kilkakrotnie czêœciej ni¿ DNA j¹drowy. Zwi¹zane jest to z ma³o skutecznym
systemem naprawy uszkodzeñ DNA w mitochondriach, brakiem histonów oraz
85
obecnoœci¹ du¿ej iloœci wolnych rodników, wytwarzanych w procesie fosforylacji
oksydacyjnej [27].
Innym mechanizmem powstawania form odpornych fitopatogenów na strobiluryny jest pojawianie siê alternatywnej œcie¿ki oddychania komórki grzyba. Specyficzn¹ cech¹ mitochondriów roœlin i mikroorganizmów jest obecnoœæ w mitochondriach alternatywnych bia³ek przenosz¹cych elektrony i zwi¹zanych z tym niefosforylacyjnych (nie tworzy siê ATP) dróg transportu elektronów. Jednym z tych bia³ek
jest oksydaza alternatywna (AOX). AOX przenosi elektrony z ubichinolu wprost na
O2 z pominiêciem kompleksów cytochormowych III i IV [49]. W populacjach
patogenów mog¹ byæ obecne formy grzyba odporne na fungicydy strobilurynowe
dziêki wzglêdnie wydajnemu mechanizmowi oddychania alternatywnego. Pewne
znaczenie mechanizmu oddychania alternatywnego dla odpornoœci na fungicydy
strobilurnowe opisywano m.in. w przypadku Venturia inequalis [38], Septoria tritici
[34, 56], Fusarium graminearum [26] i Magnaporthe gisea (Pyricularia oryzae) [32].
Zwi¹zane z b³on¹ bia³ka chroni¹ komórki grzyba i innych mikroorganizmów
przed toksynami pochodzenia naturalnego i ksenobiotykami. Bia³ka te okreœlane jako
transportery czynne usuwaj¹ zwi¹zki toksyczne z wnêtrza komórki (pompa b³onowa,
ang. efflux mechanism). S¹ one zale¿ne od energii pochodz¹cej z ATP lub z pompy
protonowej (PMF, ang. proton motive force) [46]. W ochronie komórki grzyba przed
fungicydami do najwa¿niejszych bia³ek nale¿¹ bia³ka nadrodziny ABC i bia³ka MFS
[11]. Fitopatogenem odpornym na strobiluryny, u którego stwierdzono nadekspresjê
genu MgMfs1 koduj¹cego transporter MFS by³ grzyb Septoria tritici, u form tego
rodzaju stwierdzono jednak tak¿e mutacjê G143A, co sugeruje, i¿ znaczenie nadekspresji wspominanego genu jest raczej drugorzêdne [43]. Bardziej przekonuj¹cy
dowód na udzia³ transporterów bia³kowych w mechanizmie odpornoœci na strobiluryny przynios³y badania nad odpornoœci¹ Pyrenophora tritici-repentis. W eksperymentach nad tym patogenem stwierdzono, ¿e inhibitor pomp b³onowych powoduje
przywrócenie wra¿liwoœci na strobiluryny u izolatów odpornych tego grzyba. Z kolei
zastosowanie niewielkich dawek fungicydu strobilurynowego prowadzi³o zarówno
w warunkach polowych, jak i laboratoryjnych do wzrostu aktywnoœci pompy b³onowej. Te poœrednie dowody wskazuj¹ na zaanga¿owanie jednego z mechanizmów
transportu w odpornoœæ patogenu [41].
Strategia antyodpornoœciowa
dla fungicydów strobilurynowych
Pojawienie siê problemu odpornoœci polowej i praktycznej na fungicydy strobilurynowe spotka³o siê z szerok¹ reakcj¹ œwiata nauki i organizacji doradczych wspieranych przez koncerny agrochemiczne. W zaleceniach dotycz¹cych ograniczenia
ryzyka uodpornienia siê patogenów na strobiluryny kluczowymi elementami s¹:
ograniczenie liczby zabiegów (w tym liczby aplikacji po sobie), stosowanie fungicy-
86
U. Wachowska
dów strobilurynowych w mieszaninach z w³aœciwie dobranymi zwi¹zkami grzybobójczymi oraz wybór terminu stosowania [31, 47].
Skuteczny program ochrony jest podstaw¹ opóŸnienia powstawania odpornoœci
w populacjach patogenów. Fungicydy strobilurynowe nale¿y stosowaæ w dawkach
i w odstêpach zalecanych przez producenta. Pochodne strobiluryny jako skuteczne
fungicydy zapobiegawcze hamuj¹ce kie³kowanie zarodników musz¹ byæ stosowane
we wczesnych fazach rozwoju chorób. Liczba wykonanych zabiegów fungicydami
strobilurynowymi, w tym w mieszaninach z innymi fungicydami musi, byæ ograniczona do liczby zalecanej przez producenta. Szczegó³owe dane odnoœnie liczby
zabiegów samymi fungicydami strobilurynowymi i ich mieszaninami s¹ opracowane
dla poszczególnych roœlin uprawnych. Fungicyd stosowany ³¹cznie ze strobiluryn¹
powinien mieæ inny mechanizm dzia³ania, wykazywaæ dzia³anie kuratywne oraz sam
zapewniaæ dostateczny poziom zwalczania patogenów [40, 41].
Podsumowanie
Fungicydy strobilurynowe tworz¹ now¹ jakoœæ w chemicznej ochronie roœlin.
W pracach nad t¹ grup¹ zwi¹zków czynnych po raz pierwszy wykorzystano na
szerok¹ skalê potencja³ naukowy ukierunkowany na odwzorowanie naturalnych
interakcji pomiêdzy organizmami jako sposobu zwalczania agrofagów. Fungicydy
strobilurynowe skutecznie zwalczaj¹ szerokie spektrum fitopatogenów, czêsto o bardzo du¿ym znaczeniu gospodarczym, a filogenetycznie bardzo odleg³ych. Preparaty
te s¹ pierwsz¹ grup¹ zwi¹zków grzybobójczych, która w sposób bezpoœredni oddzia³uje na fizjologiê i plonowanie roœliny chronionej. Paradoksalnie, fungicydy strobilurynowe stanowi¹ tak¿e now¹ jakoœæ w badaniach odpornoœci fitopatogenów, co
zwi¹zane jest z czêsto stwierdzanym z³o¿onym mechanizmem powstawania tego
zjawiska oraz cytoplazmatycznym dziedziczeniem genu cytochromu b odpowiedzialnego za odpornoœæ.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Anke T, Oberwinkler F. 1977. The Strobilurins – new antifungal antibiotics from the Basidiomycetes
Strobilurus tenacellus (PERS.ex FR.) SING. J. of Antibiot. 30(10): 806–810.
Anke T., Hecht H.J., Schramm G., Steglich W. 1979. Antibiotics from Basidiomycetes IX. Oudemansin, an
antifungal antibiotic from Oudemansiella. J. of Antibiot. 32(11): 1112–1117.
Bartlett D.W., Clough J.M., Godwin J.R., Hall A.A., Hamer M., Parr-Dobrzanski B. 2002. Review The
strobilurin fungicides. Pest Manag. Sci. 58(7): 649–662.
Becker W.F., Jagow von G., Anke T., Steglich W. 1981. Oudemasin, Strobilurin A, Strobilurin B and
Myxothiazol: new inhibitors of the bc1 segment of respiratory chain with an E-b-metoksyakrylate system as
common structural element. FEBS Letter 132(2): 329–333.
Bertelsen J.R., de Neergaard E., Smedegaard-Petersen V. 2001. Fungicidal effects of azoxystrobin and
epoxiconazole on phyllosphere fungi, senescence and yield of winter wheat. Plant Pathol. 50: 190–205.
Brandt U., Schägger H., Jagow von G. 1988. Characterisation of binding of the methoxyacrylate inhibitors to
mitochondrial cytochrome c reductase. Eur. J. Biochem. 173: 499–506.
Broniarek-Niemiec A., Bielenin A. 2005. Monitoring odpornoœci Venturia inequalis na fungicydy
strobilurynowe i dodynowe. Zeszyty Nauk. ISiK 13: 143–150.
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
87
Broniarek-Niemiec A., Bielenin A. 2007. Odpornoœæ Venturia inaequalis na fungicydy strobilurynowe
w sadach w Polsce. Progress in Plant Prot./ Post. w Ochr. Roœlin 47(2): 62–65.
Chin K.M., Chavaillaz D., Käsbohrer M., Staub T., Felestein F.G. 2001. Characterising resistance risk of
Erysiphe graminis sp. tritici to strobilurins. Crop Prot. 20(1): 87–96.
Clark B. 2008. Fungicide resistance management in cereals. Fungicide Resistance Action Group (FRAG) UK.
De Waard M.A., Andrade A.C., Hayashi K., Schoonbeek H., Stergiopoulos I., Zwiers L. 2006. Impact of fungal
drug transporters on fungicide sensitivity, multidrug resistance and virulence. Pest Manag. Sci. 62(3):195–207.
Esser L., Gong X., Yang Sh., Yu L., Yu Ch-A., Xia D. 2006. Surface-modulated motion switch: capture and
release of iron-sulfur protein in the cytochrome bc1 complex. PNAS 103(35): 13045–13050.
Fernández-Ortuòo D., Tores J.A., Vicente de A., Perez-Garcia A. 2008. Mechanisms of resistance to QoI
fungicides in phytopathogenic fungi. International Microbiology 11: 1–9.
Fernández-Ortuòo D., Tores J.A., Vicente de A., Perez-Garcia A. 2008. Field resistance Podosphaera fusca to
QoI fungicides is not supported by typical mutations in the mitochondrial cytchrome b gene. Pest Manag Sci.
64(7): 694–702.
Fisher N., Brown A.C., Sexton G., Cook A., Windass J., Meunier B. 2004. Modeling the Qo site of crop
pathogens in Saccharomyces cerevisiae cytochrome b. Eur. J. Biochem. 271: 2264–2271.
Fraaije B.A., Butters J.A., Coelho J.M., Jones D.R., Hollomon D.W. 2002. Following the dynamics of
strobilurin resistance in Blumeria graminis f.sp. tritici using quantitative allele-specific real-time PCR
measurements with the fluorescent dye SYBR Green I. Plant Pathology 51: 45–54.
Fraaije B.A., Cools H.J., Fountaine J., Lovell D.J., Motteram J., West J.S., Lucas J.A. 2004. Role of ascospores
in futher spread of QoI-resistant cytochrome b alleles (G143A) in field populations of Mycosphaerella
graminicola. Phytopathology 95: 933–941.
FRAC 2009. FRAC Code list: Fungicide sorted by mode of action.
Gerth K., Irschik H., Reichenbach H., Trowitzsch W. 1980. Myxothiazol, an antibiotic from Myxococcus fulvus
(Myxobacerales) I. Cultivation, isolation, physico-chemical and biological properties. J. of Antibiot. 33(12):
1474–1479.
Gisi U., Sierotzki H., Cook A., McCaffery A. 2002. Mechanisms influencing the evolution of resistance to Qo
inhibitor fungicides. Pest Manag Sci. 58(9): 859–867.
Grasso V. Palermo S., Sierotzki H., Garibaldi A., Gisi U. 2006. Cytochrome b gene structure and consequences
for resistance to Qo inhibitor fungicides in plant pathogens. Pest. Manag. Sci. 62(6): 465–472.
Häuser-Hahn I., Baur P., Schmitt W. 2004. Fluoxastrobin (HEC5725) – biochemistry and chemodynamic
behaviour of a new leaf systemic strobilurin fungicide. Pflanzenschutz-Nachrichten Bayer 57(3):437–450.
Hunte C., Palsdottir H., Trumpower B.L. 2003. Protonmotive pathways and mechanisms in the cytochrome bc1
complex. FEBS Letters 544: 39–46.
Ishii H., Fraaije B.A., Sugiyama T., Noguchi K., Nishimura K., Takeda T., Amano T., Hollomon D.W. 2001.
Occurrence and molecular characterization of strobilurin resistance in cucumber powdery mildew and downy
mildew. Phytopathology 91: 1166–1171.
Ishii H., Yano K., Date H., Furuta A., Sagehashi Y., Yamaguchi T., Sugiyama T., Nishimura K., Hasama W.
2007. Molecular characterization and diagnosis of QoI resistance in cucumber and eggplant fungal pathogens.
Phytopatology 97(11): 1458–1466.
Kaneko I., Ishii H. 2009. Effect of azoxystrobin on activities of antioxidant enzymes and alternative oxidase in
wheat head blight pathogens Fusarium graminearum and Microdochium nivale. J. Gen. Plant Pathol. 75:
388–398.
Knapik K., Jêdrzejczak M., Dybus A., 2006. Mitochondrialny gen cytochromu b (MTCYB). Medycyna Wet.
62(11): 1229–1232.
Köhle H., Grossmann K., Retzlaff G., Akers A. 1997. Physiologische Einflüsse des neuen Getreiefungizides
Juwel ® auf Ertragbildung. Gesunde Pflanzen 49(8): 267–271.
Köller W., Parker D.M., Turechek W.W., Avila-Adame C. 2004. A two phase resistance response of Venturia
inaequalis populations to the QoI fungicides kresoxim-methyl and trifloxystrobin. Plant Dis. 88(5): 537–544.
Konradt M., Kappes E.M., Hiemer M., Petersen H.H. 1996. Amistar – ein Stroblurin zur Bekämpfung von
Getreidekrankheiten. Gesunde Pflanzen 48(4): 126–134.
Kuck K-H., Mehl A. 2003. Trifloxystrobin: Resistance and resistance management. Pflanzenschutz-Nachrichten Bayer 56(2): 313–325.
Leroux P., Fritz R., Debieu D., Albertini C., Lanen C., Bach J., Gredt M., Chapeland F. 2002. Mechanisms of
resistance to fungicides in field strain of Botrytis cinerea. Pest Manag. Sci. 58(9): 876–888.
88
U. Wachowska
[33] List of pathogens with field resistance towards QoI fungicides. (updated 02/12/08) «www.frac.info/frac/
meeting/2008/Pathogens_with_field_resistance_towards_2008.pdf».
[34] Miguez M., Reeve Ch., Wood P.M., Hollomon D.W. 2003. Alternative oxidase reduces sensitivity of
Mycospharella graminicola to QoI fungicides. Pest Manag Sci. 60(1): 3–7.
[35] Mutations associated with QoI resistance. QoI Working Group FRAC «www.frac.info/frac/meeting/2007/
Mutations_associated_with_QoI_resistance.pdf».
[36] Olaya G., Koöller W. 1999. Diversity of kresoxim-metyl sensitivities in baseline populations of Venturia
inaequalis. Pestic. Sci. 55(11): 1083–1088.
[37] Pasce J.S., Wharam C.M., Gudmestad N.C. 2004. Shift in sensitivity of Alternaria solani in response to QoI
fungicides. Plant Dis. 88: 181–187.
[38] QoI working group of FRAC Minutes of a meeting on November 21–22nd 2001 Bad Homburg, Germany.
«www.FRAC-QoI Working Group2001.htm».
[39] QoI working group of FRAC Minutes of the meeting crops: December 2nd and 3rd, 2008 Organised by
Syngenta in Frankfurt, Germany. «www.frac.info/frac/meeting/qoi/FRAC_QoI_Minutes_2008.pdf».
[40] Rago J.P., Coppee J.Y., Colson A.M. 1989. Molecular basis for resistance to myxothiazol, mucidin (strobilurin
A), and stigmatellin. The Journal of Biological Chemistry 264 (24): 14543–14548.
[41] Reimann S., Deising H.B. 2005. Inhibition of efflux transporter-mediated fungicide resistance in Pyrenophora
tritici-repentis by a derivative of 4’-hydroxyflavone and enhancement of fungicide activity. App. Env.
Micriobiol. 71(6): 3269–3275.
[42] Reuveni M. 2001. Activity of trifloxystrobin against powdery and downy mildew diseases of grapevines. Can.
J. Plant Pathol. 23: 52–59.
[43] Roohparvar R., Mehrabi R., Van Nistelroy J.G.M., Zwiers L-H., De Waard M.A.2008. The drug transporter
MgMfs1 can modulate sensitivity of field strains of the fungal wheat pathogen Mycosphaerella graminicola to
the strobilurin fungicide trifloxystrobin. Pest Manag. Sci., 64(7): 685-693.
[44] Sauter H. 2007. Strobilurins and other complex III inhibitors. Modern Crop Protection Compounds v. 2, Krämer
W., Schirmer U. red., Wiley-VCH 457–495.
[45] Sierotzki H., Frey R., Wullschleger J., Palermo S., Karlin S., Godwin J., Gisi U. 2007. Cytochrome b gene
sequence and structure of Pyrenophora teres and P. tritici-repenitis and implication for QoI resistance. Pest
Manag. Sci. 63(3): 225–233.
[46] Stefañska J. 2003. Opornoœæ gronkowców z³ocistych na œrodki przeciwbakteryjne. Biul. Wydz. Farm. AMW, 3.
«www.farm.amwaw.edu.pl/~axzimni/biuletyn/».
[47] Vincelli P. 2002. QoI (Strobilurin) fungicides: Benefits and Risks. The Plant Health Instructor
«www.apsnet.org/education/AdvacedPlantPath/Topics/Strobilurin»
[48] Wachowska U. 2008. Zmiany zachodz¹ce w zbiorowiskach drobnoustrojów zasiedlaj¹cych liœcie pszenicy
ozimej pod wp³ywem fungicydów i stymulatora odpornoœci roœlin. Rozprawy i monografie 135: 113 ss.
[49] Wood P.M., Hollomon D.W. 2003. A critical evaluation of the role of alternative oxidase in the performance of
strobilurin and related fungicides acting at Qo site of complex III. Pest Manag. Sci. 59(5): 499–511.
[50] Xia D., Yu Ch-A., Kim H., Xia J-Z., Kachurin M., Zhang L., Yu L., Deisenhofer J.1997. Crystal structure of the
cytochrome bc1 complex from bovine heart mitochondria. Science, 277: 60- 66.
[51] Yamaguchi I., Fujimura M. 2005. Recent topics on action mechanisms of fungicides. J. Pestic. Sci. 30(2):
67–74.
[52] Ypema H.L., Gold R.E. 1999. Kresoxim-methyl – modification of naturally occurring compound to produce
a new fungicide. Plant Dis. 83(1): 4–19.
[53] Ziegler H., Benet-Buchholz J., Etzel W., Gayer H. 2003. Trifloxystrobin – a new strobilurin fungicide with an
outstanding biological activity. Pflanzenschutz-Nachrichten Bayer 56(2): 213–230.
[54] Ziogas B.N., Baldwin B.C., Young J.E. 1997. Alternative respiration: a biochemical mechanism of resistance to
azoxystrobin (ICIA 5504) in Septoria tritici. Pestic. Sci. 50(1): 28–34.
89
Characterization of the strobilurin fungicides
in aspect of phytopathogen resistance
Key words: strobilurin fungicides, mechanism of action, fungal resistance to
fungicides
Summary
Strobilurin fungicides contain eight active ingredients of the following chemical
groups: methoxyacrylates, methoxycarbamates, oximino-acetates, oximino-acetamides and dihydrodioxazines. The synthesis of the first strobilurin fungicides containing
azoxystrobin and kresoxim methyl was carried out basing on strobilurin A, a natural
substance produced by the fungus Strobilurus tenacellus. Described chemicals are
used to control fungi of the phyla Ascomycota and Basidiomycota as well as fungus-like organisms of the phylum Oomycota. In Poland they are applied to cereal and
rape fields, fruit-trees, vegetable crops and ornamental plants. Strobilurin fungicides
are characterized by very good biokinetic properties, and the mechanism of their action on phytopathogens involves the inhibition of mitochondrial respiration in fungal
cells. However, the effectiveness of the above fungicides decreases significantly after
several years of their use. Today, more than ten phytopathogens are known to be resistant to this group of chemicals. The mode of resistance development has been relatively well investigated, and its underlying cause are mutations in the gene encoding
cytochrome b. Rational use of strobilurin fungicides, i.e. limiting the total number of
applications per season and tank-mixing with other fungicides, may prevent the development of pathogen resistance.
Topinambur (Helianthus tuberosus L.)
– bulwa o w³aœciwoœciach prozdrowotnych
Ewa Cieœlik, Agnieszka Gêbusia
Ma³opolskie Centrum Monitoringu i Atestacji ¯ywnoœci,
Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Ko³³¹taja,
ul. Balicka 122, 30-149 Kraków
S³owa kluczowe: topinambur (Helianthus tuberosus L.), w³aœciwoœci
prozdrowotne
Wprowadzenie
Upowszechnienie osi¹gniêæ postêpu technicznego w ostatnich kilkunastu latach
w istotnym stopniu spowodowa³o zmiany stylu ¿ycia ludzi. Stosowane zabiegi technologiczne wykorzystywane przy produkcji ¿ywnoœci znacz¹co mog¹ obni¿aæ jej
wartoœæ od¿ywcz¹ oraz walory prozdrowotne. Jednoczeœnie mo¿emy zaobserwowaæ
wzrost œwiadomoœci ¿ywieniowej wœród konsumentów, którzy – w d¹¿eniu do utrzymania dobrego stanu zdrowia oraz spowolnienia procesów starzenia – poszukuj¹
produktów o ukierunkowanym, pozytywnym oddzia³ywaniu na organizm cz³owieka,
które oprócz zaspokajania g³odu, spe³niaj¹ dodatkowe funkcje fizjologiczno-¿ywieniowe, wp³ywaj¹c na poprawê stanu zdrowia i zapobiegaj¹c przewlek³ym chorobom
niezakaŸnym. Topinambur charakteryzuj¹cy siê licznymi w³aœciwoœciami prozdrowotnymi, mo¿e stanowiæ odpowiedŸ na rosn¹ce potrzeby konsumentów [43].
Pochodzenie i charakterystyka botaniczna
Topinambur (Helianthus tuberosus L.) nale¿y do rodziny Asteraceae, jest blisko
spokrewniony ze s³onecznikiem zwyczajnym. Jest roœlin¹ wci¹¿ jeszcze ma³o znan¹,
mimo ¿e jako roœlina hodowlana ma d³ug¹ historiê. Nazwa topinambur pochodzi od Indian z plemienia Tupinamba z Ameryki Pó³nocnej. Francuski podró¿nik Samuel de
Champlain przywióz³ topinambur z Ameryki Pó³nocnej do Francji, sk¹d rozprzestrzeni³
siê on w Europie Wschodniej, po czym w XVIII wieku zosta³ wyparty przez ziemniaka
i nies³usznie zapomniany. Powrót tej roœliny do ³ask nast¹pi³ w XX wieku, a naukowcy
z coraz wiêkszym zainteresowaniem badaj¹ jego funkcjonalne w³aœciwoœci [4, 7].
92
E. Cieœlik, A. Gêbusia
Topinambur jest dekoracyjn¹ roœlin¹ z kwiatami podobnymi do s³onecznika, ale
du¿o mniejszymi. Koszyki kwiatowe o œrednicy 4–8 cm wzniesione s¹ prosto,
z zielonymi lancetowatymi listkami okrywy. £odyga prosta, dorasta do 3,5 metra
wysokoœci. Ca³a jest szorstko ow³osiona z bujn¹ zielon¹ mas¹ liœci. Topinambur
kwitnie od sierpnia do listopada (formy zdzicza³e w sierpniu, a biotopy uprawne we
wrzeœniu lub w paŸdzierniku). Kwiaty wewnêtrzne to drobne kwiaty rurkowe, z których powstaj¹ nasiona.
W Polsce nasiona przewa¿nie nie dojrzewaj¹, roœlina rozmna¿a siê wegetatywnie
z podziemnych bulw pêdowych. Jedna roœlina mo¿e wytwarzaæ 30–40 bulw ró¿nych
rozmiarów. Roœliny wy¿sze jako substancje zapasowe mog¹ gromadziæ skrobiê lub
fruktany. Podobnie jak skrobia i sacharoza, fruktany s¹ naturalnie obecne w wielu
roœlinach jako cukry zapasowe. Zwiêkszaj¹ one odpornoœæ roœlin na zimno i suszê [37].
Fruktany gromadzone s¹ wtedy, gdy zapotrzebowanie roœliny na sacharozê jest
mniejsze ni¿ jej iloœæ powsta³a w nastêpstwie fotosyntezy. Gromadzeniu fruktanów
sprzyja dobre nas³onecznienie i niska temperatura, a tak¿e ma³a zawartoœæ azotu
w glebie, niedostateczna wilgotnoœæ, grzybicze choroby roœlin i czêœciowa utrata liœci,
czyli takie warunki fizjologiczne i œrodowiskowe, które umo¿liwiaj¹ asymilacjê CO2,
ale ograniczaj¹ wzrost roœliny. Bulwy pêdowe topinamburu zawieraj¹ oko³o 20%
wêglowodanu inuliny i niewielk¹ zawartoœæ skrobi i innych cukrów prostych, co
decyduje o ich walorach prozdrowotnych [4, 7, 9].
Sk³ad chemiczny bulw topinamburu
O wartoœci od¿ywczej produktów decyduje ich sk³ad chemiczny. Sk³ad bulw
topinamburu uzale¿niony jest od wielu czynników, wœród których najczêœciej wymienia siê odmianê, warunki uprawy, termin zbioru i czas przechowywania bulw w glebie, poniewa¿ zachodz¹ wówczas procesy fizyczne, biochemiczne i mikrobiologiczne zmieniaj¹ce sk³ad bulwy [10, 20]. Sucha masa stanowi 16,5–36,2% masy
bulwy topinamburu [10]. Inni autorzy podaj¹ zawartoœæ suchej masy mieszcz¹c¹ siê
w przedziale 20,5–28,1% [17, 18, 20].
Cieœlik i in. [10] wykazali wysok¹ zawartoœæ bia³ka w bulwach topinamburu, która
kszta³towa³a siê na poziomie 5,5–12,5 g · 100 g–1 suchej masy, œrednio 7,6 g · 100 g–1
suchej masy. Wartoœci z podanego przedzia³u podaj¹ równie¿ Florkiewicz i in. [18]. Jest
to wy¿sza zawartoœæ badanego sk³adnika ni¿ w ziemniaku lub warzywach korzeniowych, tj: marchwi, rzodkiewce, selerze [31]. Pod wzglêdem zawartoœci azotu bia³kowego topinambur jest warzywem zbli¿onym do ziemniaka, natomiast stwierdzono, ¿e
bia³ko topinamburu odznacza siê wysok¹ wartoœci¹ biologiczn¹. Iloœæ bia³ka w œwie¿ej
masie bulwy kszta³tuje siê na poziomie 0,8–1,4 g · 100 g–1 [9]. Zawartoœæ bia³ka mala³a
wraz z dojrzewaniem roœliny (8,1 g · 100 g–1 w bulwach zbieranych we wrzeœniu
w porównaniu do 7,4 g · 100 g–1 w bulwach zbieranych w paŸdzierniku). Natomiast
w bulwach zbieranych po zimowym przechowywaniu w glebie zaobserwowano
ponowny wzrost poziomu bia³ka (œrednio do 8,1 g · 100 g–1) [16].
Topinambur (Helianthus tuberosus L.) …
93
W bulwie topinamburu stwierdzono zawartoœæ wszystkich aminokwasów egzogennych w bardzo korzystnych proporcjach oraz wysok¹, w porównaniu z ziemniakiem, zawartoœæ metioniny [9].
G³ównym sk³adnikiem suchej masy s¹ wêglowodany, a najwiêksz¹ jej czêœæ
stanowi¹ fruktany. W zale¿noœci od odmiany, terminu zbioru i miejsca uprawy
wykazano du¿e zró¿nicowanie w iloœci inuliny w bulwach topinamburu. Znacznie
ni¿sz¹ zawartoœci¹ cechowa³y siê bulwy zbierane wiosn¹ ni¿ zbierane jesieni¹.
Gutmañski i Pikulnik [22] okreœlili zawartoœæ inuliny na poziomie 49–56% suchej
masy, co odpowiada zawartoœci 11,3–14,2 g · 100 g–1 œwie¿ej masy bulwy. Porównywalne zawartoœci inuliny stwierdzali równie¿ inni autorzy. Bulwy zbierane wiosn¹
po zimowym przechowywaniu w glebie zawiera³y istotnie mniej inuliny. Kolejn¹
rozpuszczaln¹ frakcj¹ b³onnika s¹ fruktooligosacharydy (pochodne inuliny), a ich
sk³ad jest ró¿ny w zale¿noœci od odmiany i terminu zbioru. Florkiewicz i in. [18]
podali zwartoœæ fruktanów w granicach 41,4–50,5 g · 100 g–1 suchej masy, równie¿
zaznaczaj¹c istotn¹ statystycznie zale¿noœæ zawartoœci fruktanów od terminu zbioru.
W bulwach zbieranych jesieni¹ œrednia zawartoœæ fruktanów wynosi³a 50,3 g · 100 g–1
suchej masy, a w bulwach zbieranych wiosn¹ po zimowym przechowywaniu w glebie
œrednio 42,9 g · 100 g–1 suchej masy. Odnotowano tak¿e zmianê stopnia polimeryzacji
w trakcie zimowego przetrzymywania bulw w glebie. Stwierdzono, ¿e znaczna czêœæ
wielkocz¹steczkowej frakcji o stopniu spolimeryzowania DP > 10 zostaje przekszta³cona niskocz¹steczkow¹ frakcjê o stopniu spolimeryzowania DP = 3–5 [9].
W trakcie zimowego przetrzymywania bulw w glebie nastêpuje dodatkowo wytwarzanie œrednio³añcuchowych fruktanów i sacharozy potrzebnej do regulacji ciœnienia
osmotycznego w komórce. Depolimeryzacja fruktanów zachodz¹ca pod wp³ywem
niskiej temperatury, jaka panuje podczas zimowania bulw, jest analogiczna do indukowanej niskimi temperaturami konwersji skrobi do sacharozy podczas przechowywania ziemniaków [18]. Zawartoœæ fruktanów oznaczona przez Cieœlik i in. [11]
w bulwach topinamburu zbieranych jesieni¹ i wiosn¹ (po zimowym przechowywaniu
w glebie) by³a ni¿sza w bulwach zbieranych wiosn¹ œrednio o 15%.
Wysokiej zawartoœci fruktanów w bulwach topinamburu towarzyszy niska
zawartoœæ cukrów prostych. W bulwach niedojrza³ych Cieœlik i Filipiak-Florkiewicz [9] stwierdzi³y ma³e iloœci fruktozy i glukozy oraz œladowe sacharozy,
natomiast w dojrza³ych bulwach wykaza³y tych cukrów znacznie wiêcej –
8,0–14,8% suchej masy. Zaobserwowano, ¿e bulwy zimuj¹ce w glebie ró¿ni¹ siê
zawartoœci¹ glukozy a¿ o 30% w porównaniu z zawartoœci¹ oznaczon¹ w bulwach
zbieranych jesieni¹ [9].
Oprócz wysokiej zawartoœci b³onnika rozpuszczalnego wykazano równie¿ znacz¹c¹ iloœæ w³ókna pokarmowego. Cieœlik i in. [10] podaj¹ zawartoœæ b³onnika na
poziomie 11,4–20,8 g · 100 g–1 suchej masy. Wiêkszy poziom w³ókna pokarmowego
stwierdzono w bulwach zbieranych w marcu po zimowym przetrzymywaniu w glebie. Podobne wnioski stawiaj¹ Cieœlik i in. [11]. Filipiak-Florkiewicz odnotowa³a
94
systematyczny wzrost zawartoœci tego sk³adnika postêpuj¹cy wraz z dojrzewaniem
bulwy. Jako przyczynê wy¿szego poziomu w³ókna w bulwach z plonu wiosennego
poda³a wzrost aktywnoœci oddechowej bulw i zwiêkszon¹ produkcjê œcian komórkowych oraz substancji polifenolowych, jako skutek stresu spowodowanego przez nisk¹
temperaturê oraz czas ekspozycji na ten czynnik [16].
Bulwy topinamburu zawieraj¹ równie¿ witaminy, g³ównie witaminê C. Zawartoœæ tego sk³adnika waha³a siê w przedziale 7,1–8,1 mg · 100 g–1, œrednio wynosi³a
7,6 mg · 100 g–1. Stwierdzono istotne ró¿nice pod wzglêdem zawartoœci tej witaminy
w zale¿noœci od odmiany i terminu zbioru. W 100 g bia³ych bulw odmiany ‘Albik’by³o
to 8,1 mg · 100 g–1, a w czerwonych bulwach odmiany ‘Rubik’ 7,1 mg · 100 g–1.
Niezale¿nie od odmiany bulwy zbierane jesieni¹ zawiera³y dwukrotnie wiêcej witaminy C (10,2 mg · 100 g–1) [18].
Badania Florkiewicza [18] wykaza³y równie¿ wysoki poziom zwi¹zków fenolowych. Œrednia zawartoœæ tych zwi¹zków wynosi³a 221 mg · 100 g–1, przy czym jest to
wartoœæ znacznie wy¿sza ni¿ oznaczona w bulwie ziemniaka (26,6–123 mg · 100 g–1).
Wy¿sz¹ zawartoœci¹ zwi¹zków fenolowych cechowa³a siê odmiana ‘Rubik’
(225,9 mg · 100 g–1) ni¿ odmiana ‘Albik’ (218 mg · 100 g–1). Zauwa¿ono istotne
zró¿nicowanie w zale¿noœci od terminu zbioru. W bulwach zbieranych wiosn¹
oznaczono wiêcej tych zwi¹zków (237 mg · 100 g–1) ni¿ w bulwach zbieranych
jesieni¹ (206,5 mg · 100 g–1) [18]. Wzrost poziomu zwi¹zków fenolowych w bulwach
wywo³any by³ prawdopodobnie nisk¹ temperatur¹ przechowywania, a w rezultacie
zwiêkszon¹ syntez¹ zwi¹zków polifenolowych, które zwiêkszy³y tolerancjê roœliny
na niekorzystne warunki œrodowiska.
Cieœlik i in. [10] stwierdzili zawartoœæ popio³u w granicach 3,4–8,4 g · 100 g–1
suchej masy. Wyniki mieszcz¹ce siê w tym zakresie podaje równie¿ Florkiewicz i in.
[18]. Zauwa¿ono równie¿ zale¿noœæ dotycz¹c¹ zawartoœci popio³u od wielkoœci
bulwy topinamburu. Okreœlono, ¿e zasobniejsze w popió³ by³y ma³e bulwy
(5,6 g · 100 g–1 suchej masy) ni¿ du¿e (4,5 g · 100 g–1 suchej masy). Porównuj¹c
œrednie zawartoœci popio³u w bulwach wykopywanych jesieni¹ i wiosn¹ nie stwierdzono wp³ywu przechowywania zim¹ bulw w glebie na zawartoœæ popio³u [18].
Zawartoœæ popio³u ca³kowitego na poziomie 1,1% œwie¿ej masy bulwy, co odpowiada
4,5% suchej masy, wykaza³y Cieœlik i Filipiak-Florkiewicz [9]. Sk³ad popio³u bulwy
topinamburu jest porównywalny do sk³adu bulwy ziemniaka, przy czym zaznacza siê
wiêksz¹ zawartoœæ potasu w bulwie ziemniaka (60,1% popio³u) ni¿ w bulwie topinamburu (47,7%) [9]. Cieœlik i Baranowski [8] wykazali zawartoœæ popio³u na poziomie 1,1% w tym zawartoœæ potasu w iloœci 719 mg · 100 g–1 œwie¿ej masy bulwy.
Stwierdzili brak zró¿nicowania pomiêdzy badanymi odmianami pod wzglêdem zawartoœci tych sk³adników.
Cieœlik i Filipiak-Florkiewicz [9] wykaza³y nastêpuj¹c¹ zawartoœæ sk³adników
mineralnych: 1,4% magnezu, 1,1% wapnia, 0,13% sodu, 0,22% ¿elaza, 0,12% cynku
i 0,012% miedzi. Podkreœlaj¹ trzykrotnie wy¿sz¹ zawartoœæ zwi¹zków ¿elaza w bul-
95
wach topinamburu w stosunku do ziemniaka oraz wy¿sz¹ zawartoœæ wszystkich
oznaczonych mikroelementów (cynku, ¿elaza i miedzi) w stosunku do innych warzyw korzeniowych. Bulwy topinamburu charakteryzuj¹ siê wysok¹ zawartoœci¹
sk³adników mineralnych dzia³aj¹cych zasadotwórczo, g³ównie potasu. Florkiewicz
[17] stwierdzi³ jego zawartoœæ w bulwie topinamburu w iloœci 55 g · 100 g–1 popio³u.
Prozdrowotne w³aœciwoœci
topinamburu (Helianthus tuberosus L.)
Wartoœæ od¿ywcz¹ tradycyjnej ¿ywnoœci charakteryzuje siê okreœlaj¹c jej wartoœæ
energetyczn¹ oraz zawartoœæ podstawowych sk³adników pokarmowych z uwzglêdnieniem ich biodostêpnoœci i wzajemnych proporcji, zapewniaj¹cych prawid³owe
funkcjonowanie organizmu i zdrowie cz³owieka. Dziêki wysokiej zawartoœæ fruktanów oraz ich w³aœciwoœciom, spo¿ywanie bulw topinamburu wywo³uje korzystny
wp³yw na organizm cz³owieka wykraczaj¹cy poza efekt od¿ywczy.
W³aœciwoœci prozdrowotne fruktanów s¹ rozleg³e i obejmuj¹:
1) dzia³anie prebiotyczne,
2) zapobieganie i leczenie cukrzycy,
3) redukcjê poziomu cholesterolu w surowicy krwi,
4) zwiêkszanie biodostêpnoœci sk³adników mineralnych,
5) dzia³anie antykancerogenne,
6) zapobieganie powstawaniu próchnicy,
7) zapobieganie zaparciom,
8) produkcjê czynników ¿ywieniowych,
9) redukcjê toksycznych metabolitów.
W³aœciwoœci prebiotyczne
Fruktany s¹ oporne na dzia³anie enzymów trawiennych przewodu pokarmowego,
poniewa¿ w organizmie cz³owieka nie ma enzymów hydrolizuj¹cych wi¹zanie b-2-1 glikozydowe. Maj¹ one zdolnoœæ selektywnego pobudzania wzrostu lub aktywnoœci
wybranych szczepów bakterii jelitowych, dziêki czemu mog¹ wp³ywaæ na poprawê
stanu zdrowia gospodarza [26]. Probiotyki to ¿ywe mikroorganizmy, które stosowane
w odpowiedniej dawce wywo³uj¹ korzystne efekty zdrowotne w organizmie gospodarza [14], poprzez poprawê równowagi mikroflory jelitowej i obronê przed patogennymi mikroorganizmami. Szczepy bakterii, które s¹ najczêœciej stosowane jako
probiotyki nale¿¹ ogólnie do rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterium.
Wœród bakterii jelitowych na uwagê zas³uguj¹ bakterie kwasu mlekowego (np.
Lactobacillus) oraz Bifidobacterium ze wzglêdu na ich istotn¹ rolê w fizjologii jelita
[39]. McBain i MacFarlane [33] wykazali, ¿e metabolizm inuliny jest zwi¹zany
96
z dziesiêciokrotn¹ stymulacj¹ populacji Lactobacillus. Bakterie te hamuj¹ rozwój
niektórych drobnoustrojów, w tym równie¿ patogennych, przez stwarzanie niekorzystnych warunków œrodowiskowych (obni¿enie pH treœci jelitowej), konkurencjê
z innymi drobnoustrojami o substraty oraz o miejsce adhezji na nab³onku jelitowym,
a tak¿e wytwarzanie przez niektóre szczepy substancji antybiotycznych. Fizjologiczna flora jelitowa wp³ywa korzystnie na rozwój i czynnoœæ systemu immunologicznego b³ony œluzowej jelita, dojrzewanie i obrót enterocytów, przep³yw krwi przez b³onê
œluzow¹ oraz czynnoœæ uk³adu nerwowego jelita [39]. Choæ wiele Ÿróde³ wêgla mo¿e
byæ wykorzystanych przez bakterie bytuj¹ce w jelicie grubym jako substraty w procesie fermentacji, to substancje te s¹ rozk³adane na drodze niewielu przemian
biochemicznych. Bakterie metabolizuj¹ fruktozê i fruktooligosacharydy do kwasu
octowego i mlekowego w proporcji (3 : 2), najbardziej korzystnej dla przewodu
pokarmowego cz³owieka [26]. Kleessen i in. [26] wykazali, ¿e wp³yw fruktanów na
poziom krótko³añcuchowych kwasów t³uszczowych w k¹tnicy, okrê¿nicy i kale
zale¿y od d³ugoœci ich ³añcucha. Dobieraj¹c odpowiednio sk³ad probiotyków i prebiotyków mo¿na wp³ywaæ na iloœciowy i jakoœciowy sk³ad krótko³añcuchowych
kwasów t³uszczowych powsta³ych w jelicie grubym w procesie fermentacji. Te
z kolei s¹ w³¹czane w metabolizm ogólnoustrojowy (kwas octowy, propionowy) lub
wykorzystywane do od¿ywiania kolonocytów [38]. Diety z dodatkiem inuliny b¹dŸ
oligofruktozy znacz¹co zwiêkszaj¹ stê¿enie maœlanów w k¹tnicy i okrê¿nicy szczurów (maœlany s¹ g³ównym Ÿród³em energii dla komórek nab³onkowych okrê¿nicy),
co jest szczególnie interesuj¹ce ze wzglêdu na zapobieganie takim schorzeniom jak
nowotwór czy wrzodziej¹ce zapalenie okrê¿nicy [26]. Kim i Milner [25] wykazali, ¿e
podawanie fruktooligosacharydów w diecie w iloœci 15 g dziennie przez 15 dni
znacz¹co zwiêksza poziom Bifidobacterium w kale, a jednoczeœnie obni¿y³o iloœæ
mikroorganizmów Bacteroides, Fusobacterium i Clostridium. Liczba bakterii z rodzaju Lactobacillus i pa³eczek E. coli nie zmieni³a siê. Inne badania wykaza³y, ¿e ju¿
5 g FOS w dziennej diecie prowadzi³o do wzrostu liczby Bifidobacterium w jelitach
[30]. Kolida i Gibson [27] podaj¹, ¿e spo¿ywanie zaledwie 5–8 g inuliny dziennie
pozwala na stwierdzenie korzystnych zmian sk³adu mikroflory jelitowej. Jako bezpieczn¹ dawkê inuliny w diecie okreœlaj¹ 20 g, twierdz¹c i¿ jest to iloœæ, przy której
nie powinny wyst¹piæ negatywne efekty (np. wzdêcia) [27].
Rozbie¿noœci dotycz¹ce sugerowanej dawki fruktanów podawanych z diet¹ w badaniach z udzia³em ochotników lub zwierz¹t laboratoryjnych mog¹ wynikaæ z ró¿nego Ÿród³a s³u¿¹cego do pozyskania tego sk³adnika. Wp³ywa to na d³ugoœæ ³añcucha
fruktanów, a tym samym na zdolnoœæ do przechodzenia do koñcowego odcinka
przewodu pokarmowego. Ponadto w przypadku doœwiadczeñ z udzia³em ludzi znacz¹cy wp³yw ma równie¿ ich wiek oraz indywidualny stan zdrowia.
97
W³aœciwoœci hipoglikemiczne
Fruktany wykazuj¹ ni¿sz¹ ni¿ sacharoza kalorycznoœæ (1,0–1,5 kcal · g–1 w porównaniu do 4,0 kcal · g–1 w przypadku sacharozy) oraz mniejsz¹ ni¿ sacharoza
s³odkoœæ [30]. Brak mo¿liwoœci rozk³adu inuliny czy oligofruktozy do ich monosacharydów przez systemy enzymów endogennych powoduje, ¿e nie zwiêkszaj¹ one
poziomu insuliny we krwi, co jest niezwykle wa¿ne dla diabetyków. Sama inulina jest
produktem niskoenergetycznym. W badaniach przeprowadzonych przez Kopeæ
i Cieœlik [28] oraz Cieœlik i Kopeæ [12] zaobserwowano statystycznie istotne obni¿enie poziomu glukozy w surowicy krwi zwierz¹t karmionych dietami z dodatkiem
inuliny oraz m¹czki z bulw topinamburu. Ponadto przeprowadzona analiza regresji
liniowej wykaza³a wp³yw iloœci FOS i inuliny w diecie na zawartoœæ glukozy
w surowicy krwi szczurów laboratoryjnych. W badaniu trwaj¹cym 21 dni wykazano,
¿e wraz ze wzrostem iloœci fruktooligosacharydów w diecie zmniejsza³ siê przyrost
masy cia³a w stosunku do grupy kontrolnej œrednio o 13%, 23% i 30% [29, 12].
W³aœciwoœci hipocholesterolemiczne
W redukcji poziomu cholesterolu w surowicy krwi podstawowym mechanizmem
dzia³ania fruktanów jest wi¹zanie kwasów ¿ó³ciowych w jelicie cienkim, co zwiêksza
ich iloœæ wydalan¹ w kale. Skutkiem tego jest zmniejszenie puli soli ¿ó³ciowych,
mog¹cych wzi¹æ udzia³ w syntezie cholesterolu i zaburzenie tworzenia micelli
w jelicie, a przez to utrudnienie wch³aniania lipidów. Cholesterol zostaje wykorzystany do syntezy kwasów ¿ó³ciowych, a nie do syntezy lipoprotein. Ponadto fruktany
ulegaj¹c fermentacji w jelicie grubym wp³ywaj¹ na proporcje wytwarzanych krótko³añcuchowych kwasów t³uszczowych w tym odcinku przewodu pokarmowego, przyczyniaj¹ siê do zmniejszenia zawartoœci wytwarzanego kwasu octowego a zwiêkszenia iloœci kwasu propionowego i mas³owego. Wykazuj¹ przez to korzystny wp³yw na
organizm, poniewa¿ octan dzia³a jako stymulator a propionian jako inhibitor syntezy
cholesterolu [19]. Hipolipidemiczne dzia³anie fruktanów wykazano w badaniach
z udzia³em zwierz¹t laboratoryjnych, w których dziesiêcioprocentowy dodatek oligofruktanów do wysokowêglowodanowej diety szczurów spowodowa³ znacz¹ce obni¿enie poziomu triglicerydów w surowicy krwi. Przyczynê obni¿enia poziomu triglicerydów autorzy t³umacz¹ spowolnieniem tempa syntezy zwi¹zków w w¹trobie,
poprzez inaktywacjê niektórych enzymów w¹trobowych [15]. Wysoki poziom triglicerydów i cholesterolu w surowicy krwi prowadzi do rozwoju blaszek mia¿d¿ycowych w œwietle naczyñ krwionoœnych. Trautwein i in. [45] przeprowadzaj¹c
piêciotygodniowe doœwiadczenie, w którym do diety chomików dodawano ró¿ne
poziomy inuliny, stwierdzili 15–29% obni¿enie poziomu cholesterolu w organizmach
zwierz¹t karmionych diet¹ zawieraj¹c¹ 8–16% inuliny. Zaobserwowano równie¿, ¿e
12% i 16% dodatek inuliny w diecie wp³ywa redukuj¹co na poziom frakcji VLDL oraz
98
trójglicerydów, obni¿aj¹c ich poziom odpowiednio o 40 i 63%. Znacz¹cy wzrost
stê¿enia cholesterolu frakcji HDL wykazali Azorín-Ortuño i in. [1]. Brighenti [3]
potwierdza korzystny wp³yw na zmiany w profilu lipidowym krwi zwierz¹t doœwiadczalnych. Badania kliniczne przeprowadzone z udzia³em ludzi, spo¿ywaj¹cych dietê
z dodatkiem fruktanów potwierdzi³y hipolipidemiczne dzia³anie tych zwi¹zków. Jackson i in. [24] w oœmiotygodniowym doœwiadczeniu ¿ywieniowym z udzia³em 54 osób
wykazali, ¿e 10 g inuliny dodawanej do diety wolontariuszy obni¿a poziom cholesterolu ca³kowitego w surowicy krwi, natomiast nie stwierdzono zmian w iloœci triglicerydów. Azorín-Ortuño i in. [1] wykazali znacz¹ce ró¿nice miêdzy skutecznoœci¹ dzia³ania fruktanów na organizm szczurów laboratoryjnych w porównaniu z ich dzia³aniem
na organizm cz³owieka (lub brak widocznego efektu), a jako przyczynê podali znacznie
mniejszy procentowy udzia³ fruktanów w diecie badanych osób. Podobny wniosek pod
tym wzglêdem wysun¹³ Beylot [2], dodaj¹c równie¿ i¿ rozbie¿noœci mog¹ wynikaæ
z ró¿nic w biodostepnoœci sk³adników od¿ywczych. Stwierdzi³ tak¿e, ¿e efekt jest
bardziej widoczny u osób oty³ych lub cierpi¹cych na hipertriglicerydemiê (w porównaniu z osobami ciesz¹cymi siê dobrym stanem zdrowia) [2].
Dane uzyskane w licznych badaniach pokazuj¹, ¿e inulina i oligofruktoza wp³ywaj¹ na procesy i parametry powi¹zane z metabolizmem lipidów, w ten sposób
wywieraj¹c korzystny efekt na choroby zwi¹zane z zaburzeniami lipidowymi takimi
jak mia¿d¿yca [1].
Wp³yw na biodostêpnoœæ sk³adników mineralnych
Fruktany wp³ywaj¹ korzystnie na absorbcjê sk³adników mineralnych z diety,
stymuluj¹c wch³anianie niektórych z nich, w tym szczególnie wapnia, magnezu
i ¿elaza. Dziêki obni¿eniu pH w jelicie wzrasta stê¿enie sk³adników mineralnych
w postaci jonowej oraz zostaje przyspieszona ich dyfuzja poprzez b³ony komórkowe.
Z krótko³añcuchowymi kwasami t³uszczowymi, które powstaj¹ w wyniku fermentacji, tworz¹ siê tak¿e ³atwo rozpuszczalne sole. Skutkiem obecnoœci nietrawionych
wêglowodanów jest przerost b³ony œluzowej jelita grubego, przez co zwiêksza siê
jego zdolnoœæ do absorpcji sk³adników mineralnych [9, 19]. Topolska [44] wykaza³a
istotnie wy¿sze stê¿enie wapnia zjonizowanego w obecnoœci inuliny w diecie szczurów z 75% deficytem wapnia – zarówno w iloœci 7,5%, jak i 10% powodowa³a ona
wzrost stê¿enia Ca2+ z 1,28 mmol · dm–3 w grupie kontrolnej do wartoœci
1,40 mmol · dm–3. W badaniach Cieœlik i Topolska [44] wykaza³y, ¿e obecnoœæ
fruktanów w diecie, zarówno z 50% deficytem wapnia, jak i przy zaledwie 25%
udziale tego pierwiastka w diecie, powodowa³a znacz¹cy wzrost zawartoœci sk³adników mineralnych (odpowiednio Ca i Mg oraz Ca i P) w koœci udowej szczurów.
Badania wykaza³y, ¿e fruktany zwiêksza³y biodostêpnoœæ takich pierwiastków jak
wapñ, magnez, cynk czy ¿elazo [40]. Zarówno doœwiadczenia z udzia³em zwierz¹t jak
i badania ¿ywieniowe z udzia³em ludzi wykaza³y wzrost przyswajalnoœci tych pier-
99
wiastków w obecnoœci fruktanóww diecie. Ju¿ dodatek10% inuliny lub oligofruktozy
powodowa³ oko³o wzrost o 60% przyswajalnoœci wapnia, magnezu i ¿elaza w organizmach szczurów [15]. Scholz-Ahrens i Schrezenmeir [41] w badaniach wp³ywu
fruktanów na absorpcjê wapnia, magnezu, miedzi, ¿elaza, cynku i fosforu wykazali
silniejsze dzia³anie inuliny lub mieszanki inuliny i oligruktofruktozy w porównaniu
z dzia³aniem samej oligofruktozy. Azorín-Ortuño i in. [1] stwierdzili korzystne
dzia³anie fruktanów o wysokim stopniu polimeryzacji (pochodz¹cych z karczocha) na
przyswajanie ¿elaza, wykazuj¹c równoczeœnie brak wp³ywu fruktanów pochodz¹cych
z cykorii. Ikeda i in. [23] wskazuj¹ równie¿ na korzystny wp³yw spo¿ywania Natto,
tradycyjnego produktu Japonii wytwarzanego z fermentowanych nasion soi, na
gêstoœæ mineraln¹ koœci u kobiet w wieku postmanopauzalnym. Dodaje równie¿, ¿e
inne produkty sojowe nie wykazywa³y takiego wp³ywu [23]. Lobo i in. [32] badali
wp³yw dodatku fruktanów i oleju rybiego w diecie na przyswajanie wapnia, magnezu,
miedzi, ¿elaza i cynku. Stwierdzili korzystny wp³yw fruktanów na absorpcjê wszystkich sk³adników mineralnych, a zastosowanie kompozycji oleju rybiego i sojowego
(w stosunku 1 : 0,3) wspomaga³o ten efekt w przypadku wszystkich sk³adników
z wyj¹tkiem magnezu [32].
W³aœciwoœci antykancerogenne
Prebiotyki s¹ to nieulegaj¹ce trawieniu sk³adniki pokarmowe, które korzystnie
wp³ywaj¹ na zdrowie gospodarza poprzez selektywne stymulowanie wzrostu i/lub
aktywnoœci jednej lub ograniczonej liczby bakterii okrê¿nicy [5]. W procesie fermentacji fruktanów wytwarzany jest kwas mlekowy, który bêd¹c dobrym substratem dla
nab³onka okrê¿nicy zapobiega jego przemianie w komórki rakowe. Ponadto zapobiegaj¹c rozwojowi bakterii gnilnych, których enzymy maj¹ w³aœciwoœci promuj¹ce
rozrost nowotworowy i powstanie rakotwórczych nitrozoanim, fruktany bior¹ udzia³
w hamowaniu powstawania wielu postaci nowotworów jelita grubego [19]. Diety
z dodatkiem inuliny b¹dŸ oligofruktozy znacz¹co zwiêkszaj¹ stê¿enie maœlanów
w k¹tnicy i okrê¿nicy szczurów, co ma szczególne znaczenie w profilaktyce takich
schorzeñ jak nowotwór lub wrzodziej¹ce zapalenie okrê¿nicy [6, 13, 19]. Podobne
dzia³anie maœlanów oraz witaminy D i nienasyconych kwasów t³uszczowych w profilaktyce raka okrê¿nicy podaj¹ Kim i Milner [25]. Istnieje ogromne zainteresowanie
mo¿liwoœci¹ wp³ywania na mikroflorê jelitow¹ w celu zwiêkszenia liczby Bifidobacterium i Lactobacillus oraz jednoczeœnie stymulowania produkcji krótko³añcuchowych kwasów t³uszczowych (SCFA) oraz mleczanu w okrê¿nicy [35]. Badania
przeprowadzone przez Stewart i in. [42] pokaza³y, ¿e stopieñ i proporcje wyprodukowanych SCFA jest uzale¿niony od d³ugoœci ³añcucha fruktanów, FOS s¹ szybciej
fermentowane, natomiast z inulin¹ zwi¹zana jest produkcja wiêkszych porcji maœlanu. Liczne badania dowodz¹, ¿e niewielki dodatek fruktanów w diecie pozytywnie
wp³ywa na sk³ad mikroflory jelitowej [30, 27]. Obserwacje dotycz¹ce antynowotwo-
100
rowego oddzia³ywania inuliny poczynili Pool-Zobel i Sauer [36]. Dowiedziono, ¿e
mikroflora okrê¿nicy ma ogromny wp³yw na zdrowie. W rezultacie, istnieje wielkie
zainteresowanie u¿yciem prebiotyków jako sk³adników ¿ywnoœci funkcjonalnej, aby
steruj¹c sk³adem mikroflory okrê¿nicy uleg³o ono poprawie [46].
Inne w³aœciwoœci prozdrowotne
Zapobieganie powstawaniu próchnicy: zwi¹zane jest z tym, ¿e fruktany nie ulegaj¹c rozk³adowi w jamie ustnej nie stanowi¹ po¿ywki dla obecnych na p³ytce nazêbnej bakterii odpowiedzialnych z rozwój próchnicy [19].
Regulacja perystaltyki jelit: fruktany zwiêkszaj¹ masê wydalanego ka³u, wp³ywaj¹ reguluj¹co na perystaltykê jelit. Nale¿y jednak pamiêtaæ o umiarkowanym
spo¿ywaniu fruktanów w diecie, poniewa¿ spo¿ywanie ich w iloœci 0,2–0,5 g · kg–1
masy cia³a mo¿e byæ przyczyn¹ biegunek [19]. Guarner [21] podaje korzystny wp³yw
oligofruktozy na zapobieganie wystêpowania biegunki wywo³anej przez Clostridium
difficle u pacjentów hospitalizowanych. Zauwa¿a, ¿e biegunka wyst¹pi³a u ponad
czterokrotnie mniejszej liczby pacjentów spo¿ywaj¹cych oligofruktozê [21].
Produkcja czynników ¿ywieniowych: zwi¹zana jest ze stymulacj¹ rozwoju bifidobakterii w przewodzie pokarmowym, przez co wp³ywa na wzbogacanie organizmu
cz³owieka w witaminy B1, B2, B6, kwas nikotynowy lub kwas foliowy, które
produkowane s¹ przez bifidobakterie [19].
Redukcja toksycznych metabolitów i szkodliwych enzymów: to kolejny z prozdrowotnych efektów dzia³ania fruktanów na organizm cz³owieka. Ich spo¿ywanie powoduje obni¿enie w kale iloœci toksycznych metabolitów i niebezpiecznych dla zdrowia enzymów. Niska zawartoœæ toksycznych metabolitów wch³anianych z przewodu
pokarmowego to forma ochrony w¹troby przed koniecznoœci¹ ich detoksykacji [19].
Milala i in. [34] podaj¹ i¿ fruktany oprócz korzystnego wp³ywu na wch³anianie
sk³adników mineralnych z po¿ywienia (zw³aszcza wapnia, magnezu i ¿elaza), poprawiaj¹ równie¿ absorbcjê witamin przez organizm (g³ównie z grupy B).
Liczne w³aœciwoœci prozdrowotne fruktanów znalaz³y odzwierciedlenie w zastosowaniu m¹czki oraz soku z bulw topinamburu do wzbogacania ¿ywnoœci. Ze
wzglêdu na cenne w³aœciwoœci technologiczne fruktany mog¹ byæ wykorzystywane
w wielu ga³êziach przemys³u spo¿ywczego, dlatego ciesz¹ siê stale rosn¹cym zainteresowaniem. Ponadto dane literaturowe wskazuj¹ równie¿ na obecnoœæ innych
zwi¹zków biologicznie czynnych zawartych w bulwach, których przyk³adem mog¹
byæ polifenole. Dlatego aktywnoœæ antyoksydacyjna mo¿e wyznaczaæ nowy kierunek
badañ dotycz¹cych walorów prozdrowotnych bulwy topinamburu.
101
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
Azorín-Ortuño M., Urbán C., Cerów J.J., Tecles F., Allende A., Tomás-Barberán F.A., Espín J.C. 2009. Effect
of low inulin doses with different polymerisation degree on lipid metabolism, mineral absorption, and intestinal
microbiota in rats with fat-supplemented diet. Food Chemistry 113(4): 1058–1065.
Beylot M. 2005. Effects of inulin-type fructans on lipid metabolism in man and in animal models. Brit. J. Nutr.
93 Suppl. 1: 163–168.
Brighenti F. 2007. Dietary fructans and serum triacylglycerols: a meta-analysis of randomized controlled trials.
J. Nutr. 137(11), Suppl.: 2552–2556.
Burdzenia O. 2001. Topinambur –- Ÿród³o zdrowia. Wiadomoœci Zielarskie 07–08: 16–18.
Castro F.P., Cunha T.M., Ogliari P.J., Teofilo R.F., Ferreira M.M.C., Prudencio E.S. 2009. Influence of
different content of cheese whey and oligofructose on the properties of fermented lactic beverages: Study using
response surface methodology. LWT–Food Science and Technology 42: 993–997.
Cieœlik E. 2004. Cechy funkcjonalne ¿ywnoœci pochodzenia roœlinnego. Bromat. Chem. Toksykol. 37 Supl.: 79–86.
Cieœlik E. 2006. Charakterystyka i mo¿liwoœci wykorzystania topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Zeszyty
Naukowe Wy¿szej Szko³y Ekologii 2: 41–45.
Cieœlik E., Baranowski M.1997. Zawartoœæ sk³adników mineralnych i o³owiu w bulwach nowych odmian
topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Bromat Chem Toksykol. 30 Supl.: 66–67.
Cieœlik E., Filipiak-Florkiewicz A. 2000. Topinambur (Helianthus tuberosus L.) – mo¿liwoœci wykorzystania
do produkcji ¿ywnoœci funkcjonalnej. ¯ywnoœæ, Nauka, Technologia, Jakoœæ 1: 73–81.
Cieœlik E., Filipiak-Florkiewicz A., Prostak A. 2000. Zawartoœæ sk³adników od¿ywczych w bulwach nowych
odmian topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Materia³y XXXI Sesji Naukowej Komitetu Technologii
i Chemii ¯ywnoœci PAN. Poznañ, 14–15 wrzeœnia 2000: 346.
Cieœlik E., Florkiewicz A., Filipiak-Florkiewicz A. 2003. Wp³yw terminu zbioru na zawartoœæ wêglowodanów
w bulwach topinamburu (Helianthus tuberosus L.). ¯ywienie Cz³ow. Metabol. 3–4: 1076–1080.
Cieœlik E., Kopeæ A. 2003. Wp³yw fruktanów dodawanych do diety na przyrosty masy cia³a szczurów
doœwiadczalnych. ¯ywienie Cz³ow. Metabol. 3–4: 1072–1075.
Cieœlik E., Prostak A., Pisulewski P.M. 2001. Funkcjonalne w³aœciwoœci fruktanów. ¯ywnoœæ, Nauka, Technologia, Jakoœæ Supl.1: 5–13.
Douglas L.C., Sanders M.E. 2008. Probiotics and prebiotics in dietetics practice. J Am. Diet. Assoc. 108(3):
510–521.
Delzenne N.M, Kok N.N. 1999. Biochemical basis of oligofructose-induced hypolipidemia in animal models. J.
Nutr. 129, Suppl. 3: 1467–1470.
Filipiak-Florkiewicz A. 2001. Wartoœæ od¿ywcza bulw nowych odmian topinamburu (Helianthus tuberosus L.)
oraz mo¿liwoœci ich wykorzystania do produkcji chleba. Rozprawa Doktorska. AR Kraków: 45–57.
Florkiewicz A. 2004. Próba wykorzystania bulw topinamburu (Helianthus tuberosus L.) do wzbogacania
napojów owocowych. Rozprawa Doktorska. AR Kraków: 49–57.
Florkiewicz A., Cieœlik E., Filipiak-Florkiewicz A. 2007.Wp³yw odmiany i terminu zbioru na sk³ad chemiczny
bulw topinamburu (Helianthus tuberosus L.). ¯ywnoœæ, Nauka, Technologia, Jakoœæ 3: 71–81.
Florowska A., Krygier K. 2004. Zastosowanie nietrawionych oligosacharydów w produktach spo¿ywczych.
Przem Spo¿. 5: 44–47.
Góral S. 1998. Zmiennoœæ morfologiczna i plonowanie wybranych klonów s³onecznika bulwiastego – topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Hodowla Roœlin i Nasiennictwo 2: 6–10.
Guarner F. 2007. Studies with inulin-type fructans on intestinal infections, permeability, and inflammation. J.
Nutr. 137(11), Suppl.: 2568–2571.
Gutmañski J., Pikulnik R. 1994. Porównanie wartoœci u¿ytkowej kilku biotopów topinamburu. Biul IHAR 189:
138–139.
Ikeda Y., Iki M., Morita A., Kajita E., Kagamimori S., Kagawa Y., Yoneshima H. 2006. Intake of fermented
soybeans, natto, is associated with reduced bone loss in postmenopausal women: Japanese population-based
osteoporosis (JPOS) study. J. Nutr. 136(5): 1323–1328.
Jackson K., Taylor G., Clohessy A., Williams C. 1999. The effect of the daily intake of inulin on fasting lipid,
insulin, and glucose concentrations in middle-aged men and women. Brit. J. Nutr. 82: 23–30.
Kim Y.S., Milner J.A. 2007. Dietary modulation of colon cancer risk. J. Nutr. 137(11) Suppl.: 2576–2579.
102
[26] Kleessen B., Hartman L., Balut M. 2001. Oligofructose and long-chain inulin: influence on the gut microbial
ecology of rats associated with a human faecal flora. Brit. J. Nutr. 2: 291–300.
[27] Kolida S., Gibson G.R. 2007. Prebiotic capacity of inulin-type fructans. J. Nutr. 137(11) Suppl.: 2503–2506.
[28] Kopeæ A., Cieœlik E. 2001. Wp³yw dodatku m¹czki z topinamburu na poziom glukozy w surowicy krwi
szczurów doœwiadczalnych. ¯ywienie Cz³ow. Metabol. Supl. XXVIII: 963–967.
[29] Kopeæ A., Cieœlik E. 2005. Effect of fructans on glucose level in blood serum of rats – a short report. Pol. J. Food
Nutr. Sci. 14(55): 207–210.
[30] Kubik C., Piasecka K., Anyszka A., Bielecki S. 2006. Polifruktany i fruktooligosacharydy [FOS] – wystêpowanie, otrzymywanie, zastosowanie. Biotechnol. 2: 103–116.
[31] Kunachowicz H., Nadolna I., Przygoda B., Iwanow K. 1998. Tabele wartoœci od¿ywczej produktów spo¿ywczych. I¯¯, Warszawa: 408–459.
[32] Lobo A.R., Filho J.M., Alvares E.P., Cocato M.L., Colli C. 2009. Effects of dietary lipid composition and
inulin-type fructans on mineral bioavailability in growing rats. Nutr. 25: 216–225.
[33] McBain A.J., Macfarlane G.T. 2001. Modulation of genotoxic enzyme activities by non-digestible oligosaccharide metabolism in in-vitro human gut bacterial ecosystems. J. Med. Microb. 9: 833–842.
[34] Milala J., Grzelak K., Król B., Juœkiewicz J., Zduñczyk Z. 2009. Composition and properties of chicory extracts
rich in fructans and polyphenols. Pol. J. Food Nutr. Sci. 59(1): 35–43.
[35] Pompei A., Cordisco L., Raimondi S., Amaretti A., Pagnoni U.M., Matteuzzi D., Rossi M. 2008. In vitro
comparison of the prebiotic effects of two inulin-type fructans. Anaerobe 14: 280–286.
[36] Pool-Zobel B.L., Sauer J. 2007. Overview of experimental data on reduction of colorectal cancer risk by
inulin-type fructans. J. Nutr. 137(11) Suppl.: 2580–2584.
[37] Ritsema T., Smeekens S. 2003. Fructans: beneficial for plants and humans. Curr. Opin. Plant Biol. 6(3): 223–230.
[38] Roberfroid M.B. 2000. Concepts and strategy of functional food science: the European perspective. Am. J.
Clinic. Nutr. 71(6): 1660S–1664S.
[39] Ry¿ko J. 2002. Zastosowanie probiotyków i prebiotyków w leczeniu nieswoistych zapaleñ jelit oraz zaburzeñ
czynnoœciowych jelita grubego. Pediatria wspó³czesna, Gastroenterologia, Hepatologia i ¯ywienie Dziecka
4(1): 55–60.
[40] Scholz-Ahrens K.E., Ade P., Marten B., Weber P., Timm W., Ail Y., Glüer C.C., Schrezenmeir J. 2007.
Prebiotics, probiotics, and synbiotics affect mineral absorption, bone mineral content, and bone structure. J.
Nutr. 137(3) Suppl. II: 838–846.
[41] Scholz-Ahrens K.E., Schrezenmeir J. 2007. Inulin and oligofructose and mineral metabolism: The evidence
from animal trials. J. Nutr. 137(11) Suppl.: 2513–2523.
[42] Stewart M.L., Timm D.A., Slavin J.L. 2008. Fructooligosaccharides exhibit more rapid fermentation than
long-chain inulin in vitro fermentation system. Nutr. Res. 28: 329–334.
[43] Œwiderski F. (red). 2006. ¯ywnoœæ wygodna i ¿ywnoœæ funkcjonalna. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa: 27–31.
[44] Topolska K. 2004. Poziom wybranych wskaŸników biochemicznych w organizmie szczurów laboratoryjnych
w zale¿noœci od poziomu fruktanów i wapnia w diecie, Rozprawa doktorska, AR Kraków: 57 ss.
[45] Trautwein E.A., Rieckhoff D., Erbersdobler H.F. 1998. Dietary inulin lowers plasma cholesterol and triacylglycerol and alters biliary bile acid profile in hamster. J. Nutr. 128: 1937–1943.
[46] Wang Y. 2009. Prebiotics: Present and future in food science and technology. Food Res. Internat. 42: 8–12.
103
Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.)
– tuber with pro-healthily nutritive properties
Key words: Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.), nutritive
properties
Summary
The Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) is a plant of Asteraceae family.
The increasing interest to Jerusalem artichoke in recent years is a result of its usage in
manufacturing of food for special diet nutrition, mainly because this crop is an excellent source of both soluble and insoluble fibre. Fructans (the soluble fibre component)
are currently considered as functional ingredients. Their regular consumption within
a well-balanced diet has been correlated with the physiological benefits. Fructans
have been studied as prebiotics. By modulating the composition and metabolic activity of the intestinal microbiota, fructans are able to favour the growth of bifidogenic
bacteria rather than species considered to be pathogenic. Bacterial fermentation of
inulin and oligofructose in the large intestine enhances gastrointestinal mineral absorption such as calcium, magnesium or iron which has been connected with the protection against mineral deficiencies. The growth of bifidogenic bacteria is also related
with production of vitamin B1, B2, B6, PP and folic acid. It also has been shown that
fructans affect the serum triglyceride level, as well as the LDL-to-HDL ratio in rats.
Jerusalem artichoke components may prevent various diseases: diabetes, arteriosclerosis, hypertension, neoplastic diseases and dental caries.
Negatywne skutki stosowania antybiotyków
Joanna Biernasiak1, Katarzyna Œli¿ewska2, Zdzis³awa Libudzisz3
1
Instytut Chemicznej Technologii ¯ywnoœci,
Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii,
3
Wydzia³ Biotechnologii i Nauk o ¯ywnoœci, Politechnika £ódzka,
ul. Wólczañska 171/173, 90-924 £ódŸ;
e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
2
S³owa kluczowe: antybiotykowe stymulatory wzrostu, lekoopornoœæ bakterii
Wprowadzenie
Odkrycie przez Aleksandra Fleminga w 1929 roku penicyliny, by³o momentem
prze³omowym i w zasadniczy sposób zrewolucjonizowa³o medycynê ludzk¹ i weterynaryjn¹. W drugiej po³owie lat czterdziestych XX wieku zaczêto dodawaæ do pasz
antybiotyki. Liczne badania przeprowadzone w USA i Wielkiej Brytanii w latach
piêædziesi¹tych i szeœædziesi¹tych XX wieku udokumentowa³y naukowy sens i cel
podawania antybiotyków paszowych zwierzêtom. Zauwa¿ono nie tylko lepsze przyrosty
masy cia³a, ale równie¿ poprawienie ogólnego stanu zdrowia zwierz¹t, zapobieganie
wielu chorobom i lepsze wykorzystanie paszy przy opasie i odchowie ciel¹t oraz prosi¹t.
Jednak po pierwszej fascynacji efektywnoœci¹ antybiotyków, zaczê³y siê ujawniaæ tak¿e negatywne dzia³ania, np. szerzenie siê lekoopornoœci wœród drobnoustrojów, dzia³anie alergenne i toksyczne. Te niepokoj¹ce zjawiska by³y impulsem do
poszukiwañ nowych rozwi¹zañ w zwalczaniu lub eliminacji patogennej mikroflory
z organizmu zwierzêcia.
Cele podawania antybiotyków zwierzêtom
W odró¿nieniu od medycyny ludzkiej antybiotyki w medycynie weterynaryjnej
by³y wykorzystywane w dwojako [47]: jako œrodki zapobiegaj¹ce i lecz¹ce infekcje
bakteryjne oraz jako promotory wzrostu.
Zapobieganie i leczenie infekcji bakteryjnych osi¹gane by³o przez terapeutyczne,
metafilaktyczne lub profilaktyczne aplikowanie antybiotyków. Terapeutyczne stosowanie antybiotyków mia³o na celu kontrolowanie istniej¹cych infekcji bakteryjnych.
106
J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz
Antybiotyk podawany by³ doustnie lub drog¹ poza jelitow¹ tylko osobnikom z objawami chorobowymi, a dawka leku dostosowana by³a do stanu zdrowia zwierzêcia.
Takie leczenie by³o mo¿liwe w stadach zwierz¹t licz¹cych do 30 000 sztuk (brojlery)
lub 100 sztuk (œwinie). W stadach wiêkszych, aby zapobiec rozprzestrzenianiu siê
choroby, podawano leki wraz z wod¹ lub w paszy ca³emu stadu w chwili wyst¹pienia
objawów choroby u pojedynczych sztuk. Aplikowanie leków stadom licz¹cym po
kilkaset sztuk zwierz¹t okreœlano, jako metafilaktyczne. Profilaktyczne podawanie
antybiotyku mia³o wy³¹cznie zapobiegaæ mo¿liwym chorobom, na jakie nara¿one s¹
zwierzêta w tak zwanych momentach kluczowych, tj. szczepienie, transport, odsadzanie prosi¹t, zasuszanie krów mlecznych lub ³¹czenie osobników pochodz¹cych
z ró¿nych stad. W takich sytuacjach nie obserwuje siê jeszcze objawów choroby, lecz
wiadomo, ¿e pojawienie siê ich jest bardzo prawdopodobne. Profilaktyczne aplikowanie antybiotyków obejmowa³o zarówno pojedyncze osobniki jak i ca³e grupy
zwierz¹t [48, 33].
Stosowane w medycynie weterynaryjnej antybiotyki by³y czêsto takie same jak
w leczeniu ludzi. Antybiotyki systematycznie aplikowane zwierzêtom w celu poprawy ich wzrostu, lepszego wykorzystania paszy oraz zmniejszenia liczby upadków
okreœlono, jako antybiotykowe stymulatory wzrostu (ASW) i by³y to inne antybiotyki
ni¿ stosowane w lecznictwie [8, 33, 62].
Rola ASW sprowadza³a siê przede wszystkim do regulacji mikroflory w obrêbie
przewodu pokarmowego zwierz¹t poprzez ograniczanie rozwoju niekorzystnych dla
zwierzêcia mikroorganizmów i ich produktów (toksyn). Stosowanie ASW powodowa³o wy¿sze przyrosty masy cia³a (4–28%), lepsze wykorzystanie paszy (0,8–7,6%),
mniejsz¹ emisjê metanu i amoniaku, lepsze wykorzystanie fosforu, zmniejszone
zachorowania na dyzenteriê, toksoplazmozê u owiec, kokcydiozê u drobiu, ciel¹t
i owiec [23, 41].
Stosowanie ASW w Unii Europejskiej zosta³o zatwierdzone przez Dyrektywê
Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej z dnia 23 listopada 1970 roku, dotycz¹c¹
dodatków paszowych (70/524/EWG), w której stwierdzono, ¿e ¿ywienie zwierz¹t
coraz czêœciej wi¹¿e siê z zastosowaniem dodatków. W wymienionej dyrektywie
„dodatki” zdefiniowano jako substancje, poprawiaj¹ce zarówno cechy pasz, do
których s¹ dodawane, jak i wyniki produkcji zwierzêcej.
Zu¿ycie antybiotyków na œwiecie
W wiêkszoœci krajów europejskich, z wyj¹tkiem Danii, Szwecji i Finlandii, nie
by³o obowi¹zku prawnego dotycz¹cego rejestracji danych ze sprzeda¿y antybiotyków, dlatego trudno precyzyjnie oceniæ iloœæ stosowanych antybiotyków w Europie.
W 1980 roku w Szwecji w medycynie ludzkiej wykorzystano 70 700 kg antybiotyków, a w medycynie weterynaryjnej 41 270 kg [52]. W 1989 roku we Francji
107
w celach terapeutycznych zu¿yto ³¹cznie 50 000 kg antybiotyków b-laktamowych,
57 100 kg aminoglikozydowyh, 99 600 kg chloramfenikoli, 116 800 kg tetracyklin,
37 000 kg makrolidów, 138 600 kg sulfonamidów i 77 200 kg nitrofuranów [16].
Wielkoœæ dawek antybiotyków stosowanych zarówno w lecznictwie jak i w ¿ywieniu
zwierz¹t by³a zwi¹zana ze skutecznoœci¹ dzia³ania. W Holandii w 1990 zu¿ycie
antybiotyków w medycynie weterynaryjnej wynosi³o 300 000 kg, przy czym wynik
uwzglêdnia³ jedynie trzodê chlewn¹, drób i byd³o [63].
Dopiero w 1997 roku Europejska Federacja Zdrowia Zwierz¹t na polecenie
Komisji Europejskiej sporz¹dzi³a raport dotycz¹cy aktualnego zu¿ycia antybiotyków
w Unii Europejskiej ³¹cznie ze Szwajcari¹ [27]. Ogólnoœwiatowe zu¿ycie antybiotyków w 1996 roku oszacowano na 27 000 ton, przy czym 25% z nich wykorzystano
w Unii Europejskiej. Z tej iloœci 50% zastosowano w celach terapeutycznych, 25%
jako stymulatory wzrostu, a pozosta³e 25% jako dodatki do pasz dla drobiu w celu
ochrony przed kokcydiami [7]. W 1997 roku zu¿ycie antybiotyków w medycynie
ludzkiej wynosi³o 5 460 000 kg, w medycynie weterynaryjnej 3 465 000 kg i jako
stymulatory wzrostu 1 575 000 kg. Stosowane dawki antybiotyków w przeliczeniu na
masê cia³a wynosi³y 241 mg · kg–1 w medycynie ludzkiej i 54 mg · kg–1 w medycynie
weterynaryjnej. Wskazano jednak na du¿e zró¿nicowanie w wielkoœci dawek stosowanych farmaceutyków w poszczególnych krajach z intensywn¹ produkcj¹ zwierzêc¹ i rodzaju substancji czynnej. W Austrii, Danii, Finlandii, Irlandii i Szwecji dawki te
wynosi³y odpowiednio: 6, 24, 24, 12 i 24 mg · kg–1, natomiast w Hiszpanii, Grecji
i Wielkiej Brytanii 103, 134, 148 mg · kg–1 [17, 59]. Dwa lata póŸniej (1999) w Unii
Europejskiej do u¿ycia wprowadzono ju¿ 13 tysiêcy ton antybiotyków, z czego 65%
wykorzystano w medycynie ludzkiej, 29% w medycynie weterynaryjnej i 6% jako
stymulatory wzrostu [18].
Skutki stosowania
antybiotykowych stymulatorów wzrostu (ASW)
Stosowanie antybiotyków w paszach wywo³a³o wiele niekorzystnych zmian.
Szczególnie niekorzystnie wp³ynê³o na: degradacjê œrodowiska i na rozwój antybiotykoopornoœci bakterii.
Wp³yw na degradacjê œrodowiska. Zainteresowanie producentów ASW, farmaceutów, producentów pasz dla zwierz¹t, jak i hodowców zwierz¹t koñczy³o siê na
efektach ekonomicznych – dalszy los ASW, po ich pasa¿u przez przewód pokarmowy
zwierz¹t, w mniejszym stopniu ich interesowa³. Van Gool [64] pisa³ wrêcz, ¿e
w literaturze brak jest jakichkolwiek danych na temat wp³ywu poszczególnych grup
ASW na œrodowisko. PóŸniejszy o cztery lata raport rz¹du szwedzkiego [52] wymienia ju¿ cztery publikacje opisuj¹ce zmiany mikroflory glebowej pod wp³ywem ASW,
dostaj¹cych siê wraz z odchodami zwierz¹t produkcyjnych do gleby. Mechanizm
108
dzia³ania ASW na œrodowisko i jego skutki przedstawi³ Opaliñski [40] na podstawie
wyników prac eksperymentalnych i wyników uzyskanych w ramach projektu badawczego KBN 6PO4605016 „Wp³yw antybiotyków paszowych i cytostatyków na
œrodowisko. Badania polowe laboratoryjne”. Stwierdzono, ¿e ASW (ich pochodne
i metabolity) obecne w naturalnym nawozie i dostaj¹ce siê do gleby i wód powierzchniowych wywieraj¹ silny wp³yw na strukturê i funkcjonowanie biocenozy glebowej
i wodnej, tj. na zespo³y mikroorganizmów glebowych (grzyby i bakterie), na strukturê
troficzn¹ mezofauny glebowej, na ró¿norodnoœæ biologiczn¹, na bilans ca³ej gleby
i tempo rozk³adu materii organicznej w glebie i wodzie oraz na bilans energetyczny
makrofauny wody. Wp³yw ten najsilniej manifestuje siê po up³ywie oko³o 3 tygodni
od pojawienia siê ASW w œrodowisku, jednak zmiany wywo³ane dzia³aniem ASW
widoczne s¹ po 12, a nawet po 40 tygodniach, co oznacza, ¿e obejmuj¹ one nie tylko
ca³y sezon wegetacyjny, ale praktycznie ca³y rok [40].
Dop³yw ASW do gleby nie by³ te¿ obojêtny dla ludzi. Ich obecnoœæ w œrodowisku
w dawkach znacznie ni¿szych od dawek terapeutycznych stosowanych w medycynie
i weterynarii (efekt rozcieñczenia), indukowa³a powstawanie antybiotykoopornych
szczepów bakterii, mog¹cych stanowiæ zagro¿enie dla ludzi i zwierz¹t [4, 5, 52].
Wp³yw na rozwój lekoopornoœci wœród bakterii. Antybiotykowa opornoœæ
mo¿e mieæ dwie formy: naturaln¹ i nabyt¹ [46]. Naturalna lub wrodzona opornoœæ na
poszczególne antybiotyki lub grupy antybiotyków jest bardzo rozpowszechniona
wœród bakterii, co jest odbiciem ewolucyjnego przystosowania bakterii do naturalnych toksyn wystêpuj¹cych w œrodowisku. Opornoœæ naturalna zwi¹zana jest najczêœciej ze zmian¹ (inaktywacj¹) aktywnego leku w jego nieaktywn¹ formê pochodn¹,
z udzia³em enzymów wytworzonych przez komórki oporne (np. hydroliza przez
b-laktamazy; inaktywacja aminoglikozydów przez acetylo-, adenylo- i fosfotransferazy; inaktywacja erytromycyny przez esterazê) [28]. Mo¿e byæ te¿ efektem aktywnego usuwania chemioterapeutyku z komórki bakteryjnej przez aktywne bia³ka
o w³aœciwoœciach pomp (ang. efflux protein pumps). Bia³ka te rozpoznaj¹ ró¿nego
typu antybiotyki i usuwaj¹ je z cytoplazmy. Proces ten odgrywa g³ówn¹ rolê w opornoœci na tetracyklinê, fluorochinolony, makrolidy i coraz czêœciej równie¿ b-laktamy
[26]. Ponadto obserwuje siê równie¿ modyfikacjê miejsca w komórce bêd¹cej celem
dzia³ania (miejscem uchwytu) leku (np. zmiany w bia³kach rybosomowych, bia³kach
wi¹¿¹cych penicylinê, prekursorze mureiny, podjednostkach gyrazy) [32].
Opornoœæ nabyta oznacza, ¿e pocz¹tkowo (dziedzicznie) wra¿liwe bakterie staj¹
siê oporne. Bakterie mog¹ nabyæ opornoœæ poprzez mutacjê w sekwencji nukleotydowej chromosomalnego DNA albo dziêki przyjêciu od innych bakterii genów
determinuj¹cych opornoœæ. Geny te mog¹ zostaæ nabyte na drodze tak zwanego
horyzontalnego transferu genów, to jest wymiany DNA miêdzy bakteriami. Wyró¿nia
siê trzy rodzaje horyzontalnego transferu genów: pobranie wolnego DNA ze œrodowiska (transformacja), przekazywanie DNA za poœrednictwem bakteriofagów (transdukcja) i bezpoœrednie przekazywanie DNAz komórki do komórki (koniugacja) [2].
109
Liczne badania dotycz¹ce szerzenia siê lekoopornoœci wœród bakterii prowadzono
w latach 90 ubieg³ego stulecia. Literatura dotycz¹ca opornoœci bakterii na ASW jest
ograniczona, co mo¿e wynikaæ z faktu, ¿e badania na temat farmaceutyków stosowanych jako promotory wzrostu nie by³y prowadzone regularnie [62].
W badaniach Linton i in. [31] wykazano, ¿e szczepy bakterii z rodzaju Enterococcus izolowane z odchodów œwiñ i drobiu by³y oporne na fosforan tylozyny i bacytracynê cynku. Nie stwierdzono jednak ich opornoœci na virginiamycynê. Wzrost
opornoœci szczepów Escherichia coli na olaquindoks, z 0,004 do 6%, odnotowano po
trzech latach od jego zastosowania jako ASW w ¿ywieniu trzody chlewnej, tj. od 1982
roku. Podobn¹ sytuacjê obserwowano na farmach, gdzie olaquindoks nie by³ stosowany, co mog³o œwiadczyæ o rozprzestrzenianiu siê opornoœci wœród szczepów
bakterii [30]. Mills i Kelly [38] opisali wzrost opornoœci E. coli izolowanych od œwiñ,
z 37 do 61%, tak¿e na karbadoks. Nale¿y jednak podkreœliæ, ¿e karbadoks by³
stosowany w ¿ywieniu trzody chlewnej wy³¹cznie w celach profilaktycznych (zapobieganie czerwonce) i terapeutycznych (zapobieganie salmonelozie) [20; 21].
Wzrost zainteresowania selektywn¹ opornoœci¹ bakterii na ASW, nast¹pi³ po
wzroœcie liczby bakterii z rodzaju Enterococcus opornych na wankomycynê izolowanych od chorych ludzi (z ang. vancomycin resistant enterococcus – VRE). Stwierdzono wówczas, ¿e stosowanie awoparcyny jako ASW, w wiêkszoœci krajów Unii
Europejskiej, przyczyni³o siê do szerzenia VRE [6]. W krajach, gdzie awoparcyna
by³a stosowana jako ASW, VRE izolowano nie tylko z ¿ywnoœci pochodz¹cej od
zwierz¹t karmionych tym antybiotykiem, ale równie¿ od zdrowych ludzi i zwierz¹t
domowych [60]. Bakterie z rodzaju Enterococcus izolowane od zdrowych ludzi
i zwierz¹t w Norwegii, by³y oporne na antybiotyki z grupy MLS (makrolidy, linkozamidy i streptograminy), takie jak erytromycyna i prystynamycyna (mieszanina
dwóch cyklicznych antybiotyków peptydowych virginiamycyny i piostacyny), co
mog³o byæ wynikiem stosowaniem jako ASW fosforanu tylozyny (makrolidy) i virginiamycyny [61]. Podobnie jak w Norwegii, równie¿ w Danii w 1995 roku odnotowano wzrost opornoœci enterokoków izolowanych od œwiñ i drobiu w stosunku do
wankomycyny (21 i 56%), erytromycyny (91 i 59%) i prystynamycyny (53 i 37%)
[12]. W Finlandii, gdzie fosforan tylozyny stosowany by³ wy³¹cznie w celach
profilaktycznych, opornoœæ enterokoków na erytromycynê by³a ni¿sza i wynosi³a
odpowiednio 18 i 9% [32]. W USA, gdzie awoparcyna nie by³a stosowana jako ASW,
nie odnotowano wzrostu liczby VRE izolowanych z ka³u zwierz¹t i ludzi [11].
Wyselekcjonowane dzia³aniem chemioterapeutyków, podawanych w celach leczniczych, profilaktycznych lub w charakterze stymulatorów wzrostu, wystêpuj¹ce
u zwierz¹t lekooporne bakterie, czêsto chorobotwórcze równie¿ dla cz³owieka, s¹
przyczyn¹ narastaj¹cych trudnoœci w leczeniu chorób odzwierzêcych. Zw³aszcza
istotne jest pojawienie siê u zwierz¹t szczepów bakteryjnych chorobotwórczych dla
cz³owieka, które s¹ oporne równoczeœnie na kilka, a nawet kilkanaœcie chemioterapetyków [37, 43].
110
Szczepy Salmonella Typhimurium wyizolowane od ludzi i zwierz¹t ze Stanów
Zjednoczonych, w latach 1940–1948, by³y wra¿liwe na tetracykliny. Po masowym
zastosowaniu tego leku zarówno w medycynie ludzkiej, weterynaryjnej i jako stymulatory wzrostu, a¿ u 90% szczepów izolowanych z ró¿nych krajów stwierdzono
opornoœæ na antybiotyki z tej grupy [54]. Klasycznym przyk³adem na szerzenie siê
antybiotykoopornoœci jest Salmonella Typhimurium tzw. fag 104 (DT 104). Szczep
ten pierwszy raz wyizolowano w 1980 roku w Wielkiej Brytanii, a póŸniej w USA,
Kanadzie, Niemczech, Danii, Francji i Austrii [22]. Charakteryzowa³ siê on opornoœci¹ na ampicylinê, chloramfenikol, streptomycynê, sulfonamidy, tetracykliny oraz
cyprofloksacynê. W badaniach prowadzonych w Wielkiej Brytanii i w Niemczech
wykazano, ¿e opornoœæ DT104 na cyprofloksacynê zwi¹zana by³a z wprowadzeniem
do rolnictwa antybiotyków z grupy fluorochinolonów [57]. DT104 izolowano od
byd³a, œwiñ, gêsi, kurcz¹t, indyków, kotów, psów. Oporne bakterie z rodzaju Salmonella s¹ przekazywane populacji ludzkiej przez zwierzêce produkty ¿ywnoœciowe,
takie jak miêso, mleko i jaja. Rozprzestrzenianiu tych bakterii sprzyja równie¿
masowa turystyka i swobodne przemieszczanie siê dzikich zwierz¹t, takich jak foki,
mewy czy wróble [44]. Nale¿y równie¿ podkreœliæ, ¿e we wrzeœniu 1990 roku,
w Niemczech odnotowano przypadek œmierci zdrowej kobiety po zatruciu wielorakoopornym (ang. multi-drug resistance) szczepem DT104 [3, 66]. Stwierdzono, ¿e
szerzenie siê tej wielorakiej opornoœci DT104 zwi¹zane jest, m.in. z integronami.
Scharakteryzowano dwa ró¿ne integrony i wykazano, ¿e ka¿dy oprócz, genów
typowych dla integronów sul1 i qacED1, transportuje pojedyncz¹ kasetê opornoœci.
Przy czym jedna z nich koduje gen ant (3")-Ia odpowiedzialny za opornoœæ na
spektynomycynê i streptomycynê (aminoglikozydy i aminocyklitole), natomiast
druga gen pse-1 warunkuj¹cy opornoœæ na b-laktamazy [44]. Opornoœæ na antybiotyki
z grupy fluorochinolonów zwi¹zana jest z mutacj¹ w genie gyrA. Mutacja by³a
wynikiem substytucji Asp87®Asn, Asp87®Gly i Ser83®Phe. Zsekwencjonowanie
genu gyr A wykaza³o równie¿ wyst¹pienie dwóch dodatkowych mutacji, tj.
Asp87®Tyr i Ser83®Tyr [44]. Wœród 50 wyizolowanych od byd³a, ludzi i z mielonej
wo³owiny shigatoksycznych szczepów Escherichia coli (29 E. coli 0157:H7 STEC
i 21 E. coli inne ni¿ serotyp 0157:H7 STEC), 39 wykazywa³o opornoœæ w stosunku do
dwóch lub wiêkszej liczby antybiotyków. Zarówno szczep E. coli 0157:H7 jak
serotyp 0157:H7 STEC, by³y oporne na ampicilinê, tetracyklinê, kanamycynê, streptomycynê i sulfametoksazol. Natomiast opornoœci¹ na cefalotynê, chloramfenikol
i kotrimoksazol charakteryzowa³y siê tylko E. coli inne ni¿ serotyp 0157:H7. Zamplifikowano fragmenty integronów o wielkoœci 1kb i 2kb z E. coli 0157:H7 STEC
z u¿yciem specyficznych prajmerów i zdiagnozowano geny opornoœci jako aaadA
i drfXII [34]. Szczepy Campylobacter jejuni i Campylobacter coli wyizolowane
z odchodów brojlerów, œwiñ i ludzi w Hiszpanii w latach 1997 i 1998 by³y oporne na
cyprofloksacynê i kwas nalidyksowy (chinolony/fluorochinolony). Przy czym opornoœæ szczepów odzwierzêcych wynosi³a 99%, natomiast ludzkich 71%. Nale¿y
podkreœliæ, ¿e w Hiszpanii przed 1988 rokiem, opornoœæ Campylobacter na fluoro-
111
chinolony nie by³a notowana. Wœród szczepów Campylobacter coli izolowanych od
œwiñ 80% by³o opornych na erytromycynê i 65% na ampicylinê. W porównaniu
z trzod¹ chlewn¹, wœród ludzi stopieñ opornoœci na badane antybiotyki wynosi³
odpowiednio 34% i 29% [49]. W 1988 roku wyizolowano pierwsze szczepy Listeria
monocytogenes oporne tylko na tetracyklinê, ale równie¿ wielorakooporne. Od tego
momentu szczepy Listeria sp. izolowane z ró¿nych œrodowisk wykazywa³y opornoœæ
na jeden lub kilka antybiotyków. Stwierdzono np., ¿e wœród 1100 izolatów pochodz¹cych z produktów ¿ywnoœciowych i 1040 ze œrodowiska oraz 60 z typowych
klinicznych przypadków listeriozy, 61 szczepów by³o opornych na tetracyklinê
i minocyklinê (tetracykliny), o czym œwiadczy³a obecnoœæ genów tetM (57 szczepów)
i tetS (4 szczepy). Okaza³o siê równie¿, ¿e szczepy izolowane z ¿ywnoœci i œrodowiska
wykazywa³y opornoœæ na trimetoprim, tj. antybiotyk z grupy sulfonamidów [10].
W szerzeniu opornoœci wœród szczepów Listeria sp. bior¹ udzia³ plazmidy i transpozony koniugacyjne. Jeden z takich plazmidów pIP811 warunkuje opornoœæ na chloramfenikol, erytromycynê, streptomycynê i tetracyklinê. Nale¿y podkreœliæ, ¿e plazmid pIP811 wykazuje wysoki stopieñ homologii do wystêpuj¹cego powszechnie
plazmidu pAMb1 w szczepach bakterii z rodzaju Entrococcus i Streptococcus.
W roku 1976 z odchodów œwiñ wyizolowano szczepy Clostridium perfringens oporne
na tetracyklinê (tetracykliny), erytomycynê (makrolidy), linkomycynê i klindamycynê (MLS) [45]. Opornoœæ na tetracykliny wœród szczepów Clostridium perfringens
jest najbardziej powszechnym typem opornoœci, ujawniaj¹cym siê fenotypowo. Po
masowym stosowaniu antybiotykowych stymulatorów wzrostu stwierdzono, ¿e
szczepy C. perfringens izolowane w latach 1991 i 1992 z 95 ró¿nych obszarów by³y
oporne na bambermycynê i flawomycynê, ale nadal wra¿liwe na awoparcynê, awilamycynê i salinomycynê [14]. Wiele szczepów bakterii z rodzaju Staphylococcus
izolowanych od drobiu i ludzi wykazywa³o opornoœæ na erytromycynê z powodu
obecnoœci genów ermA, ermB, ermC i msrA lub msrB. Stwierdzono, ¿e gen ermA jest
wy³¹cznie chromosomalny, natomiast gen ermC zlokalizowany na plazmidzie. Analiza restrykcyjna genu ermA szczepów Staphylococcus wyizolowanych od drobiu
i cz³owieka wskazuje na wysoki stopieñ podobieñstwa strukury genu, co mo¿e
œwiadczyæ o wspólnym pochodzeniu tego genu [39]. Wykazano ponadto wysok¹
czêstotliwoœæ (4,5 × 10–3) transferu genu ermA i ermC z drobiu do ludzi. Mechanizm
transferu tych genów odbywa³ siê przez transformacjê lub transpozycjê [29].
Wycofywanie antybiotykowych stymulatorów wzrostu
jako dodatków paszowych
Krajem, który jako pierwszy ju¿ w 1986 roku zakaza³ stosowania wszystkich
ASW by³a Szwecja [67]. Dania i Niemcy zakaza³y u¿ywania na swoim terytorium
awoparcyny w paszach zwierzêcych, odpowiednio 20 maja 1995 i 19 stycznia 1996
roku. Zgodnie z przepisami dyrektywy 70/524/EWG ka¿de z tych dwóch Pañstw
Cz³onkowskich powiadomi³o inne Pañstwa Cz³onkowskie i Komisjê Europejsk¹
112
o przyczynach swojej decyzji. Na tej podstawie, 30 stycznia 1997 r., Komisja
Europejska podjê³a decyzjê o zakazie stosowania awoparcyny jako dodatku do pasz
dla zwierz¹t od 1 kwietnia 1997 r. (European Commission 1997, Off J UE 5.2.L35.).
W tym samym roku Œwiatowa Organizacja Zdrowia (WHO, 13–17.10.1997) po raz
pierwszy opublikowa³a raport dotycz¹cy medycznego wp³ywu antybiotyków dodawanych do pasz. G³ówne zagro¿enia zosta³y sformu³owane jako:
l wzrost szybkoœci rozprzestrzeniania siê opornych bakterii u zwierz¹t,
l przenoszenie opornych patogenów na ludzi poprzez bezpoœredni kontakt ze
zwierzêtami albo przez konsumpcjê ska¿onej ¿ywnoœci lub wody,
l wzrost liczby infekcji u ludzi wywo³anych przez oporne bakterie,
l potencjalne niepowodzenia w leczeniu ludzi, zwierz¹t domowych i zwierz¹t na
farmach,
l wysoki poziom opornoœci wœród rodzajów bakterii izolowanych od zwierz¹t, tj.
Salmonella, Campylobacter, Enterococcus i Escherichia coli.
W zwi¹zku z wci¹¿ wzrastaj¹c¹ liczb¹ opornych szczepów bakterii Komisja
Europejska, 17 grudnia 1998 r., podjê³a decyzjê o wycofaniu od 1 stycznia 1999 r.
kolejnych ASW stosowanych jako dodatki do pasz, tj. bakcytracyny cynku, spiramycyny, wirginiamycyny i fosforanu tylozyny (European Commission 1998, Off J EU
29.12.L351). Natomiast 22 sierpnia 2003 r., Komisja Europejska zdecydowa³a o ca³kowitym wycofaniu od 1 stycznia 2006 r. ASW jako dodatków paszowych stosowanych
w ¿ywieniu zwierz¹t (European Commision 2003, Off J EU 18.10.L268).
Konsekwencje zakazu stosowania ASW w ¿ywieniu zwierz¹t
W nastêpstwie wycofania antybiotykowych stymulatorów wzrostu zwiêkszy³y
siê koszty produkcji zwierz¹t hodowlanych, np. w Danii wzrost ich wyniós³ na
jednego tucznika – w zwi¹zku ze zwiêkszon¹ œmiertelnoœci¹ – 0,40 euro, z wyd³u¿eniem czasu tuczu – 0,30 euro, zwiêkszeniem interwencji weterynaryjnych i zastosowanych leków – 0,40 euro, wzrostem nak³adu pracy – 0,20 euro, co w sumie wynosi³o
1,30 euro. Zu¿ycie antybiotyków stosowanych w celach leczniczych zwiêkszy³o siê
natomiast z oko³o 60 ton w 1990 r. do prawie 120 ton w 2004 r. [1, 35, 36, 42].
Dane dotycz¹ce negatywnych dla produkcji konsekwencji wycofania antybiotykowych stymulatorów wzrostu wskazuj¹ równie¿, ¿e wzrost padniêæ wyniós³ w Danii
i Szwecji odpowiednio 0,6 i 1,2%. Wiek osi¹gania masy rzeŸnej 30 kg zwiêkszy³ siê
w Danii o 2,7 dnia, a w Szwecji nieco wiêcej. Biegunki u warchlaków stwierdzono
w Danii w 50% stad, a w Szwecji w 17,5% stad w porównaniu do dotychczasowych
oko³o 3,5% [19, 51, 58].
Wed³ug danych z USA, zaprzestanie podawania œwiniom antybiotykowych stymulatorów wzrostu spowodowa³o pocz¹tkowo wzrost kosztów produkcji o 6,05 USD
na zwierzê, który po 10 latach obni¿y³ siê do 5,24 USD. Przenios³o siê to na wy¿sze
ceny produktów z wieprzowiny dla konsumentów [13, 42].
113
Przeciwdzia³anie negatywnym dla produkcji konsekwencjom wycofania ASW
jest wiêc du¿ym wyzwaniem dla hodowców, producentów pasz i dodatków paszowych, zootechników i lekarzy weterynarii oraz pracowników nauki. Wed³ug licznych
autorów [23, 24, 25, 41, 50] kluczowym zadaniem jest zatem poprawa œrodowiskowych warunków utrzymania zwierz¹t, ulepszone i udoskonalone programy profilaktyczne, w tym i szczepieñ ochronnych, optymalizacja ¿ywienia, zw³aszcza w okresie
ci¹¿y i odchowu, stosowanie alternatywnych dodatków paszowych, a w ostatecznoœci
stosowanie antybiotyków leczniczych.
Wd³ug Greli i Semeniuk [24] w zakresie ¿ywienia za istotne po wycofaniu ASW
przyj¹æ nale¿y nastêpuj¹ce rozwi¹zania:
l zwiêkszenie strawnoœci i dostêpnoœci sk³adników pokarmowych z mieszanek
poprzez odpowiedni dobór materia³ów paszowych, zastosowanie zabiegów termoplastycznych, dodatek preparatów enzymatycznych lub nat³uszczanie pasz;
l optymalizacja poziomu sk³adników od¿ywczych, dopracowanie tzw. sk³adu bia³ka
idealnego w zale¿noœci od gatunku, wieku lub stanu fizjologicznego zwierz¹t,
z wykorzystaniem krystalicznych aminokwasów egzogennych;
l ograniczenie wystêpowania substancji antyod¿ywczych (ANFs) w poszczególnych œrodkach ¿ywienia zwierz¹t (hodowla nowych odmian zbó¿, nasion roœlin
str¹czkowych i oleistych, zastosowanie technologicznego uzdatniania pasz);
l baczniejsze zwrócenie uwagi na higienê wody, pasz i ¿ywienia, zw³aszcza minimalizacjê wystêpowania i szkodliwego oddzia³ywania mikotoksyn, dioksyn itp.;
l dostarczanie zwierzêtom biodostêpnych witamin (stosowanie form czynnych
i chronionych) i sk³adników mineralnych (chelaty lub inne po³¹czenia organiczne
sk³adników mineralnych);
l wykorzystanie alternatywnych, bezpiecznych dodatków paszowych.
Podsumowanie
Antybiotykowe stymulatory wzrostu by³y doœæ powszechnie stosowane jako
dodatki paszowe, daj¹ce dobre efekty produkcyjne oraz ograniczaj¹ce niektóre
choroby zwi¹zane z przewodem pokarmowym [24]. By³y one, a w wielu krajach
(USA, Argentyna, Chiny) dalej stanowi¹ jedn¹ z wa¿niejszych grup dodatków
paszowych, które powoduj¹ wyraŸny wzrost efektów produkcyjnych, zw³aszcza
w z³ych warunkach utrzymania zwierz¹t [24, 41].
ASW przyczyni³y siê tak¿e, a mo¿e przede wszystkim, do pojawienia siê coraz
wiêkszej liczby antybiotykoopornych szczepów bakterii. Z tego powodu konsekwentnie ograniczano rodzaje antybiotyków dopuszczonych do stosowania w ¿ywieniu zwierz¹t [34, 43]. Od 1 stycznia 2006 r. Unia Europejska wprowadzi³a ca³kowity
zakaz stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu w paszach dla zwierz¹t
gospodarskich. Zakaz wprowadzono w tym samym terminie we wszystkich krajach
114
wspólnoty. Od tego czasu antybiotyki mog¹ byæ stosowane jedynie jako leki lub
podawane w paszach leczniczych lub dodatkach profilaktycznych. Aktualnie stosowane ASW zalicza siê g³ównie do jonoforów, a wiêc zwi¹zków nie przekraczaj¹cych
bariery jelitowej.
Obecnie producenci leków i premiksów poszukuj¹ i opracowuj¹ nowe alternatywy antybiotykowych stymulatorów wzrostu, zw³aszcza preparaty pochodzenia
naturalnego i naturalne rozwi¹zania ¿ywieniowe. Ma to siê przyczyniæ do podniesienia bezpieczeñstwa i zdrowia ludzi i zwierz¹t.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Aarestrup F.M., Seyfarth A.M., Emborg H.D., Pedersen K., Hendriksen R.S., Bager F. 2001. Effect of
abolishment of the use of antimicrobial agents for growth promotion on occurrence of antimicrobial resistance
in fecal enterococci from food animals in Denmark. Antimicrob. Agents Chemother. 45: 2054–2059.
Alanis A.J. 2005. Resistance to antibiotics: Are we in the post-antibiotic era? Arch. Med. Res. 36: 697–705.
Baggesen D.L., Sandvang D., Aarestrup F.M. 2000. Characterization of Salmonella enterica serovar
Typhimurium DT 104 isolated from Denmark and comparison with isolates from Europe and the United States.
J. Clin. Microb. 38(4): 1581–1586.
Baquero F., Martinez J.L., Canton R. 2008. Antibiotics and antibiotic resistance in water environments. Curr.
Opin. Biotechnol. 19: 260–265.
Barlow R.S., Fegan N., Gobius K.S. 2008. A comparison of antibiotic resistance integrons in cattle from
separate beef meat production systems at slaughter. J. Appl. Microbiol. 104: 651–658.
Bates J., Jordens J.Z., Griffths D.T. 1994. Farm animals as a putative reservoir for vancomycin resistant
enterococcal infection in man. J. Antimicrob.Chemother. 34: 507–516.
Boatman M. 1998. Survey of antimicrobial usage in animal health in the European Union, Boatman consulting
by order of FEDESA.
Cabello F.C. 2006. Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and
animal health and for the environment. Environ. Microbiol. 8: 1137–1144.
Casewell M.C., Marco F.E., McMullin P., Phillips I. 2003. The European ban on growth-promoting antibiotics
and emerging consequences for human and animal health. J. Antimicrob. Chemother. 52: 159–161.
Charpantier E., Gerbaud G., Jacquet C., Rocourt J., Courvalin P. 1995. Incidence of antibiotic resistance in
Listeria species. J. Infect. Dis. 172: 277–281.
Coque T.M., Tomayko J.F., Ricke S.C., Okhyusen P.C., Murray B.E. 1996. Vancomycin resistant enterococci
from nosocomial, community, and animal sources in the United States. Antimicrob. Agents Chemother. 40:
2605–2609.
DANMAP 1995. Consumption of antimicrobial agents and occurrence of antimicrobial resistance in bacteria
from food animals, food and humans in Denmark. No. 1, 1997.
Deu S.B. 2005. Ograniczanie strat wywo³anych przez zaka¿enie Escherichia coli i Clostridium perfringens
u œwiñ w sytuacji zakazu stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu. ¯ycie Wet. 80: 769–771.
Devriese L.A., Daube G., Hommez J., Haesebrouck F. 1993. In vitro susceptibility of Clostridium perfringens
isolated from farm animals to growth-enhancing antibiotics. J. Appl.Bacteriol. 75: 55–57.
European Commission 1997. Off J EU 5.2. L35.
Espinasse J. 1993. Responsible use of antimicrobials in veterinary medicine: perspectives in France. Vet.
Microbiol. 35: 289–301.
European Federation of Animal Health (FEDESA). 1997. Antibiotics and animals. FEDESA/FEFANA Press
release. 8 September. Brussels, Belgium.
European Federation of Animal Health (FEDESA). 2001. Antibiotic use in farm animals does not threaten
human health. FEDESA/FEFANA Press release. 13 July. Brussels, Belgium.
Evans M.C., Wegener H.C. 2003. Antimicrobial growth promoters and Salmonella spp. Campylobacter spp. in
poultry and swine. Emerg. Infect. Dis. 9: 489–492.
Fairbrother J.M. 2006. Neonatal Escherichia coli diarrhea. Diseases of Swine (9th edition): 641–649.
115
[21] Fairbrother J.M., Gyles C.L. 2006. Postweaning Escherichia coli diarrhea and edema disease. Diseases of
Swine (9th edition): 649-662.
[22] Glynn M.K., Bopp C., Dewitt W., Dabney P., Mokhtar M., Angulo F.J. 1998. Emergence of multidrug-resistant
Salmonella enetrica serotype typhimurium DT 104 infections in the United States. N. Engl. J. Med. 338:
1333–1338.
[23] Grela E.R. 2004. Optymalizacja ¿ywienia œwiñ z wykorzystaniem nowej generacji dodatków paszowych. Prace
i Mat. Zoot. 15: 53–63.
[24] Grela E.R., Semeniuk V. 2006. Konsekwencje wycofania antybiotykowych stymulatorów wzrostu z ¿ywienia
zwierz¹t. Medycyna Wet. 62(5): 502–507.
[25] Heinrichs A.J., Jones C.M., Heinrichs B.S. 2003. Effects of mannan oligosaccharide or antibiotics in neonatal
diets on health and growth of dairy calves. J. Dairy Sci. 86: 4064–4069.
[26] Hooper D.C. 2005. Efflux pumps and noscominal antibiotic resistance: a primer for hospital epidemiologistic.
Clin. Infect. Dis. 40: 1811–1817.
[27] «http://www.fedesa.be/eng/PublicSite/xtra/dossiers/doss9/».
[28] Jacoby G.A., Munoz-Price L.S. 2005. The new b-lactamases. N. Engl. J. Med. 352: 380–391.
[29] Khan S.A., Nawaz M.S., Khann A.A., Cerniglia C.E. 2000. Transfer of erythromycin resistance from poultry to
human clinical strains of Staphylococcus aureus. J. Clin. Microbial. 38: 1832–1838.
[30] Linton A.H., Hedges A.J., Bennet P.M. 1988. Monitoring for the development of resistance during the use of
olaquindox as a feed additive on commercial pig farms. J. Appl. Bacteriol. 64: 311–327.
[31] Linton A.H., Hinton M.H., Al Chalaby Z.A.M. 1985. Monitoring for antibiotic resistance in enterococci
consequent upon feeding growth promoters active against gram-positive bacteria. J. Vet. Pharmacol. Ther. 8:
62–70.
[32] Markiewicz Z., Kwiatkowski Z.A. 2001. Bakterie, antybiotyki, lekoopornoœæ. Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa: 250 ss.
[33] Martinez J.L., Fajardo A., Garmendia L., Hernandez, A., Linares J.F., Martinez-Solano L., Sanchez, M.B. 2009.
A global view of antibiotic resistance. FEMS Microbiol. Rev. 34: 44–65.
[34] Mc Ewen S.A., Fedorka-Cray P.J. 2002. Antimicrobial use and resistance in animals. Clin. Infect. Dis. 34:
93–106.
[35] McEwen S.A. 2001. Improve antibiotic use in animals. Antibiotic Resistance: Syntheses of Recommendations
by Expert Policy Groups, WHO/CDS/CSR/DRS/2001. 10: 65–79.
[36] McEwen S.A., Fedorka-Cray P.J. 2002. Antimicrobial use and resistance in animals. Clin. Infect. Dis. 34:
93–106.
[37] Migda³ W. 2007. Spo¿ycie miêsa a choroby ciwilizacyjne. ¯ywnoœæ Nauka Technologia Jakoœæ 6(55): 48–61.
[38] Mills K.W., Kelly B.L. 1986. Antibiotic susceptibilities of swine Salmonella isolates from 1979 to 1983. Am. J.
Vet. Res. 47: 2349–2350.
[39] Nawaz M.S., Khan S.A., Khan A.A., Khambaty F.M., Cerniglia C.E. 2000. Comparative molecular analysis of
erythromycin-resistance determinants in Staphylococcal isolates of poultry and human origin. Mol. Cell.
Probes 14: 311–319.
[40] Opaliñski K. 2003. Potencjalne zagro¿enia dla œrodowiska zwi¹zane z wykorzystaniem w hodowli (chowie)
zwierz¹t produktów paszowych oraz niezbêdne minimum badañ pozwalaj¹ce na stwierdzenie, czy ich
stosowanie bêdzie wywiera³o na œrodowisko niekorzystny wp³yw. Centrum Badañ Ekologicznych Polskiej
Akademii Nauk: 19–23.
[41] Page S.W. 2003. The role of enteric antibiotics in livestock production. Adv. Vet. Therapeutics, Avcare
Limited, Canberra ACT 2003
[42] Pejsak Z., Truszczyñski M. 2006. Konsekwencje zakazu stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu
u œwiñ. ¯ycie Wet. 81(4): 236–238.
[43] Philips I., Casewell M., Cox T., de Groot B., Friis Ch., Jones R., Nightingale Ch., Preston R., Waddell J. 2003.
Does the use of antibiotic in food animals pose a risk to human health? A critical review of published data. J.
Antimicrob. Chemother. 53: 28–52.
[44] Ridley A., Threlfall E.J. 1998. Molecular epidemiology of antibiotic resistance genes in multiresistant epidemic
Salmonella Typhimurium DT 104. Microb. Drug Resist. Mech. Epidemiol. Dis. 4: 113–118.
[45] Road J.I., Maher E.A., Somers B., Campos E., Duncan C.L. 1978. Isolation and characterization of multiply
antibiotic-resistant Clostridium perfringens strains from porcine feces. Antimicrob. Agents Chemother. 13:
871–880.
116
[46] Salisbury J.G., Nicholls T.J., Lammerding A.M., Turnidge J., Nunn M.J. 2002. A risk analysis framework for
the long-term management of antibiotic resistance in food-producting animals. Int. J. Antimicrob. Agents 20:
153–164.
[47] Schwarz S., Chaslus-Dancela E. 2001. Use of antimicrobials in veterinary medicine and mechanisms of
resistance. Vet. Res. 32: 201–225.
[48] Schwarz S., Kehrenberg C., Walsh T.R. 2001. Use of antimicrobial agents in veterinary medicine and food
animal production. Int. J. Antimicrob. Agents 17: 431–437.
[49] Seanz Y., Zarazaga M., Lontero M., Gastanares M.J., Boquero F., Torres C. 2000. Antibiotic resistance in
Campylobacter strains isolated from animals, foods and humans in Spain in 1997–1998. Antimicrob. Agents
Chemother. 44: 267–271.
[50] Smiricky-Tjardes M.R., Grieshop C.M., Flickinger E.A., Bauer L.L., Fahey G.C. 2003. Dietary galactooligosaccharides affect ileal and total-tract nutrient digestibility, ileal and fecal bacterial concentrations, and ileal
fermentative characteristics of growing pigs. J. Anim. Sci. 81: 2535–2545.
[51] Stein H.H. 2000. Experience of feeding pigs with antibiotics. European perspective. Pork Industry Conference
on Addressing Issues of Antibiotic Use in Livestock Production, University of Illinois, Urbana Il. 2000.
[52] Swedish Ministry of Agriculture, Government Official Reports 132 1997. Antimicrobial Feed Additives.
Report from the Commission on Antimicrobial Feed Additives. Norsteedts Tryckeri, Stockholm.
[53] Tast E. 1997. Tylosin and spiramycin as feed additives, influence on the efficacy of therapeutic macrolides.
Report of the Ministry of Agriculture and Forestry of Finland.
[54] Teuber M. 1999. Spread of antibiotic resistance with food-borne pathogens. Cell. Mol. Life Sci. 56: 755–763.
[55] Teuber M. 2001. Veterinary use and antibiotic resistance. Curr. Opin. Microbiol. 4: 493–499.
[56] Threlfall E.J., Amplo F.J., Wall P.G. 1998. Ciprofloxacin-resistant Salmonella Typhimurium DT104. Vet. Rec.
142: 255.
[57] Threlfall E.J., Ward L.R., Rowe B. 1997. Increasing incidence of resistance to trimethoprim and ciprofloxacin
in epidemic Salmonella Typhimurium DT 104 in England and Wales. Eur. Surveil. 2: 81–84.
[58] Truszczyñski M., Pejsak Z. 2007. Mo¿liwoœci przeciwdzia³ania ujemnym skutkom zakazu stosowania
antybiotykowych stymulatorów wzrostu u œwiñ. Medycyna Wet. 63(1): 10–13.
[59] Ungemach F.R. 2000. Figures on quantities of antibacterials used for different purposes in the EU-countries and
interpretation. Acta Vet. Scand. 93: 89–98.
[60] Van Belkun A., van den Braak N., Thomassen R., Verbrugh H., Endtz H. 1996. Vancomycin resistant
enterococci in dogs and cats. Lancet 348: 1038–1039.
[61] Van den Bogaard A.E., Mertens P., London N.H., Stobberingh E.E. 1997. High prevalence of colonization with
vancomycin- and pristinamycin-resistant enterococci in healthy humans and pigs in the Netherlands. J.
[62] Van den Bogaard A.E., Stobberingh E.E. 2000. Epidemiology of resistance to antibiotics. Links between
animals and humans. Int. J. Antimicrob. Agents 14: 327–335.
[63] Van den Bogaard E. 1997. Antimicrobial resistance – relation to human and animal exposure to antibiotics. J
Antimicrob Chemother. 40: 453–461.
[64] Van Gool S. 1993. Possible environmental effects of antibiotics residues in animal manure. Tijdschr.
Diergeneeskd 118: 8–10.
[65] WHO 1997. The medical impact of the use of antimicrobials in food animals. Report of a WHO meeting, Berlin,
Germany.
[66] WHO 1998. Outbreak of quinilone-resistant, multiresistant Salmonella Typhimurium DT104, Denmark.
Weekly Epidemiol. Rec. 42: 327–328.
[67] Wierup M. 2001. The experience of reducing antibiotics used in animal production in the Nordic countries. Int.
J. Antimicrob. Agents 18: 287–290.
117
Negative consequences of using the antibiotics
Key words: antibiotic growth promoters, antibiotic resistance of bacteria
Summary
Paper presented the relevant literature review on the applying of antibiotics
growth stimulators in nutrition of animals. Advisability of the mechanisms of antibiotic resistance of bacteria, including spontaneous mutation, gene transfer and selection as well as the waste of antibiotics on the world was talked over also. Since the 1st
of January 2006, European Union has established in all member states the ban for all
antibiotics as feed growth promoters. Besides the positive effects of the earlier bans,
negative consequences have also been observed, such as an increase of bacterial diseases and mortality in young poultry and weaners, higher expenses for veterinary interventions, a decrease of daily body gain and feed effectivity. The negative effects
were noticed particularly in farms with insufficient animal welfare and management.
The manufacturers of medicines seek at present the new alternatives of antibiotic
growth promoters, especially the preparations of natural origin and natural nutritional
solutions. It may contribute to elevation of the men and animals’ health safety.
Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t
Joanna Biernasiak1, Katarzyna Œli¿ewska2, Zdzis³awa Libudzisz3
1
Instytut Chemicznej Technologii ¯ywnoœci,
3
Wydzia³ Biotechnologii i Nauk o ¯ywnoœci, Politechnika £ódzka,
ul. Wólczañska 171/173, 90-924 £ódŸ;
e-mail: [email protected],
[email protected],
[email protected]
2
S³owa kluczowe: probiotyki, mechanizm dzia³ania, drób, œwinie, byd³o
Wprowadzenie
Antybiotyki stosowane przez szereg lat, jako stymulatory wzrostu, przyczyni³y
siê w stopniu znacz¹cym do poprawy efektów ekonomicznych w produkcji zwierz¹t
gospodarskich, ale tak¿e do pojawienia siê coraz wiêkszej liczby antybiotykoopornych szczepów bakterii [7]. Z tego powodu konsekwentnie ograniczano rodzaje
antybiotyków dopuszczonych do stosowania w ¿ywieniu zwierz¹t [59]. Od 1 stycznia
2006 r. Unia Europejska wprowadzi³a ca³kowity zakaz stosowania antybiotykowych
stymulatorów wzrostu w paszach dla zwierz¹t. Antybiotyki mog¹ byæ stosowane,
jako leki tylko w paszach leczniczych lub dodatkach profilaktycznych. Rozporz¹dzeniem nr 1831/2003 EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 22 sierpnia
2003 roku, w sprawie dodatków stosowanych w ¿ywieniu zwierz¹t, wymieniono
m.in. probiotyki, jako dodatki paszowe alternatywne dla antybiotykowych stymulatorów wzrostu [3].
Definicja pojêcia „probiotyk”
Najprawdopodobniej Ferdinand Vergin wprowadzi³ do stosowania termin „probiotyk” w 1954 r., kiedy w artykule zatytu³owanym „Anti- und Probiotika” porównywa³ szkodliwe oddzia³ywania antybiotyków i innych substancji przeciwdrobnoustrojowych z oddzia³ywaniami korzystnymi („Probiotika”) wywieranymi przez
120
po¿yteczne bakterie. Kilka lat póŸniej, w 1965 r., Lilly i Stillwell [47] opisali
probiotyki, jako mikroorganizmy stymuluj¹ce wzrost innych mikroorganizmów.
PóŸniej definicjê probiotyków rozszerzono, obejmuj¹c ni¹ koncepcjê „korzystnego
wp³ywu na wzrost dziêki oddzia³ywaniu na zespó³ mikroorganizmów gospodarza”,
definicja ta przedstawiona przez Fullera [28], by³a oparta na badaniach prowadzonych
na zwierzêtach. Definicja probiotyku by³a wielokrotnie modyfikowana [64, 68].
Obecnie stosowana zosta³a zaproponowana przez FAO/WHO w 2002 roku i okreœla
probiotyki jako ¿ywe mikroorganizmy, które po podaniu w odpowiednich iloœciach
zapewniaj¹ korzyœci zdrowotne gospodarzowi [25].
Wœród mikroorganizmów stosowanych w ¿ywieniu zwierz¹t w Unii Europejskiej
wymienia siê g³ównie gramdodatnie bakterie nale¿¹ce do rodzaju Bacillus (B. cereus,
B. licheniformis, B. subtilis), Enterococcus (E. faecium), Lactobacillus (L. acidophilus, L. casei, L. farciminis, L. plantarum, L. rhamnosus), Pediococcus (P. acidilactici), Streptococcus (S. infantarius) oraz dro¿d¿e z rodzaju Saccharomyces (S. cerevisiae i S. boulardii) [3]. Saccharomyces boulardii to niepatogenne dro¿d¿e, opisywane
w literaturze klinicznej, jako czynnik bioterapeutyczny. Na podstawie badañ taksonomicznych dro¿d¿e S. boulardii uznawane s¹ za odmianê w obrêbie gatunku S. cerevisiae i zgodnie z przyjêt¹ systematyk¹ powinny byæ okreœlane, jako S. cerevisiae var.
boulardii [46, 55, 77]. W przeciwieñstwie do bakterii z rodzaju Bacillus i dro¿d¿y
z rodzaju Saccharomyces, bakterie z rodzaju Lactobacillus i Enterococcus nale¿¹ do
typowej mikroflory jelitowej zwierz¹t i s¹ obecne w du¿ych iloœciach, tj. odpowiednio
107–108 i 105–106 jtk · g–1 treœci [3].
Procedury oceny probiotyków w ¿ywieniu zwierz¹t
Zgodnie z opini¹ wydan¹ przez Komitet Naukowy ds. ¯ywienia Zwierz¹t (ang.
Scientiffic Committee on Animal Nutrition) na podstawie Dyrektywy Komisji Unii
Europejskiej z dnia 17 wrzeœnia 2001 r. okreœlaj¹cej procedury oceny dodatków,
w tym równie¿ probiotycznych stosowanych w ¿ywieniu zwierz¹t [23, 24] nale¿y
przedstawiæ wyniki dotycz¹ce g³ównie:
l identyfikacji, charakterystyki, warunków stosowania i metod kontroli dodatku;
l skutecznoœci dodatku;
l badañ nad skutkami dla pasz;
l skutków oddzia³ywania na zwierzêta;
l badañ nad jakoœci¹ produktów pochodzenia zwierzêcego;
l bezpieczeñstwa stosowania dodatku;
l badañ na gatunkach, dla których dodatek jest przeznaczony;
l toksykologii i mikrobiologii dodatku.
W Dyrektywie 2001/79/WE wprowadzono dodatkowe kryteria bezpieczeñstwa
dotycz¹ce:
l
l
121
oceny ryzyka dla konsumenta, które mo¿e nast¹piæ w wyniku spo¿ycia ¿ywnoœci
zawieraj¹cej pozosta³oœci dodatku lub jego metabolitów, tam gdzie stosowane,
nale¿y na podstawie badañ pozosta³oœci, wyznaczyæ maksymalne poziomy pozosta³oœci (MRL) i okresy karencji;
oceny ryzyka niekorzystnego wp³ywu dodatku na œrodowisko w sposób bezpoœredni lub w wyniku dzia³ania jego metabolitów, czy to bezpoœrednio, czy
w postaci odchodów zwierz¹t do œrodowiska.
Badania nale¿y przeprowadziæ oraz sporz¹dziæ z nich raport wed³ug odpowiednich standardów jakoœci (np. dobrej praktyki laboratoryjnej (DPL) na mocy dyrektywy Rady 87/18/EWG z dnia 18 grudnia 1986 r. w sprawie harmonizacji przepisów
ustawowych, wykonawczych i administracyjnych dotycz¹cych stosowania zasad
dobrej praktyki laboratoryjnej oraz weryfikacji ich stosowania do badañ laboratoryjnych na substancjach chemicznych. Przy czym dyrektywa 2001/79/ WE wprowadzi³a
ponadto obowi¹zek uzupe³nienia dokumentacji o krytyczn¹ ocenê niezale¿nej osoby
bêd¹cej uznanym ekspertem w tej dziedzinie, przy czym w ocenie tej podsumowanie
faktów nie jest wystarczaj¹ce.
W sekcji II dotycz¹cej identyfikacji, charakterystyki i warunków stosowania dodatku, dyrektywa okreœla m.in. wymagania stawiane mikroorganizmom probiotycznym:
l nazwa i opis taksonomiczny zgodnie z miêdzynarodowym Kodem Nomenklatury;
l nazwa i miejsce pozyskania szczepu;
l miejsce zdeponowania szczepu i numer depozytu;
l modyfikacja genetyczna oraz wszystkie w³aœciwe cechy dla jej identyfikacji;
l pochodzenie;
l liczba jednostek tworz¹cych kolonie (CFU, z ang. colony forming unit) na gram;
l stabilnoœæ.
Mechanizmy dzia³ania mikroorganizmów probiotycznych
Mechanizm oddzia³ywania probiotyków na zwierzêta nie zosta³ w pe³ni wyjaœniony i nadal pozostaje w fazie badañ. Z danych literaturowych wynika, ¿e proponowane
mechanizmy dzia³ania szczepów probiotycznych s¹ nastêpuj¹ce [1, 11, 56]:
Utrzymanie równowagi mikrobiologicznej, tzw. eubiozy w przewodzie pokarmowym. Przewód pokarmowy zwierz¹t zaraz po narodzinach jest ja³owy i podatny na kolonizacjê przez ró¿ne mikroorganizmy, w tym równie¿ patogenne, z grupy
coli czy z rodzaju Salmonella. Szczepy probiotyczne konkuruj¹ z mikroorganizmami
patogennymi o adhezjê i kolonizacjê b³on biologicznych [56]. Probiotyczne bakterie
adheruj¹c, tworz¹ trwa³e, cienkie warstwy zwane biofilmem. Biofilm tylko w niewielkiej czêœci z³o¿ony jest z bakterii. Pozosta³oœæ stanowi¹ egzopolimery tych
bakterii, tworz¹ce tak zwan¹ macierz. W ich sk³ad wchodz¹: polisacharydy, bia³ka,
kwasy nukleinowe, fosfolipidy. Wydzielanie tych zwi¹zków jest wynikiem adaptacji
122
do otoczenia. Egzopolimery wp³ywaj¹ na biologiczne, fizyczne i chemiczne cechy
b³ony biologicznej stanowi¹c jej zasadniczy element. Polisacharydowe egzopolimery
utrzymuj¹ biofilm w ca³oœci, gdy¿ wype³niaj¹ luki powsta³e pomiêdzy mikroorganizmami. W biofilmie jest ich czterokrotnie wiêcej ni¿ bia³ek. W pierwszych etapach
tworzenia siê biofilmu, to w³aœnie polisacharydy wydzielane s¹ najintensywniej.
Pomagaj¹ przyczepiaæ siê pierwszym komórkom do powierzchni. Innymi egzopolimerami wydzielanymi przez komórki s¹ bia³ka. Pocz¹tkowo bia³ka gromadzone s¹
na powierzchni komórek, a nastêpnie, gdy zostaj¹ uwolnione, asocjuj¹ siê na powierzchni docelowej. W trakcie powstawania biofilmu nastêpuje wydzielenie bia³ek, co
nasila adhezjê oraz pomaga w utrzymaniu komórek przy powierzchni. Bia³ka s¹
najczêœciej mieszanin¹ kolagenów i elastyny. Tworz¹ one zewn¹trzkomórkow¹
macierz, do której przylegaj¹ mikroorganizmy [15, 80].
W badaniach prowadzonych przez Ma i in. [48] wykazano, ¿e bakterie z rodzaju
Lactobacillus sp. wykazywa³y lepsze w³aœciwoœci adhezyjne do œluzu jelitowego
kurcz¹t ni¿ bakterie patogenne, tj. Salmonella i Escherichia coli. Ponadto stwierdzono, ¿e adhezja bakterii Lactobacillus fermentum i L. acidophilus, zarówno ³¹cznie
jak i osobno, do œluzu jelitowego kurcz¹t, znacznie ogranicza³a mo¿liwoœci adhezyjne
patogenów.
W kontroli uk³adu mikroflory jelitowej ogromn¹ rolê odgrywaj¹ metabolity
bakterii mlekowych o aktywnoœci antagonistycznej w stosunku do mikroorganizmów
patogennych. Wœród zwi¹zków hamuj¹cych ich rozwój za najistotniejsze uwa¿a siê
kwasy organiczne, w tym szczególnie kwas mlekowy i octowy oraz nadtlenek wodoru
i bakteriocyny [52, 64].
Antybakteryjny wp³yw kwasów organicznych jest wynikiem szybkiego obni¿enia
poziomu pH œrodowiska poni¿ej optymalnych (6–7) wartoœci dla wzrostu wiêkszoœci
mikroorganizmów, jak równie¿ inhibicjê aktywnoœci biochemicznej mikroorganizmów
przez niezdysocjowane cz¹steczki kwasu [16, 53]. Wp³yw kwasu mlekowego na
przepuszczalnoœæ œciany komórkowej Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella Typhimurium by³ badany przez Alakomi i in. [2]. Badacze ci zaobserwowali,
¿e ju¿ 5 mM kwasu mlekowego (pH 4,0) powodowa³o istotne zwiêkszenie przepuszczalnoœci œciany komórkowej u ka¿dego z badanych przez nich szczepów patogennych, a dzia³anie kwasu mlekowego by³o silniejsze nawet ni¿ dzia³anie EDTA lub
HCl. Sta³a dysocjacji kwasu mlekowego wynosi 3,08 natomiast kwasu octowego
4,87. Kwas octowy ze wzglêdu na wy¿sze pKa wykazuje silniejsz¹ aktywnoœæ antydrobnoustrojow¹ ni¿ kwas mlekowy [12]. Wed³ug Eklund [18] obni¿enie wartoœci pH
œrodowiska do 4,0 powoduje, ¿e forma niezdysocjowana kwasu octowego stanowi
85% natomiast kwasu mlekowego tylko 11%. Kwas octowy jest silnym inhibitorem
wzrostu bakterii, dro¿d¿y i pleœni [10]. Daeschel i Ray [16] wykazali, ¿e w œrodowisku o pH 5,0 w 1% roztworze kwasu octowego znajduje siê wystarczaj¹ca iloœæ
cz¹steczek niezdysocjowanych, do zahamowania wzrostu Gram-dodatniej i Gram-ujemnej mikroflory, natomiast w 1% roztworze kwasu mlekowego znajduje siê liczba
123
cz¹steczek niezdysocjowanych wystarczaj¹ca do zahamowania wzrostu tylko mikroflory Gram-ujemnej. Nale¿y jednak podkreœliæ, ¿e kwas mlekowy oprócz tego, ¿e obni¿a pH, zwiêksza tak¿e przepuszczalnoœæ œciany komórkowej bakterii Gram-ujemnych, a wiêc mo¿e zwiêkszaæ skutecznoœæ dzia³ania innych substancji antagonistycznych [2].
Nadtlenek wodoru jest znan¹ substancj¹ antybakteryjn¹. Aktywnoœæ H2O2 wynika z silnych w³aœciwoœci utleniaj¹cych. Nadtlenek wodoru mo¿e hamowaæ rozwój
lub zabijaæ inne mikroorganizmy, które nie wykazuj¹ lub maj¹ niski poziom enzymów
rozk³adaj¹cych H2O2, takich jak katalaza czy peroksydaza. Badania prowadzone
w warunkach in vitro potwierdzaj¹ inhibicjê ró¿nych bakterii, takich jak: Staphylococcus aureus, Salmonella Typhimurium, Escherichia coli, Clostridium perfringens,
Clostridium butyricum i Pseudomonas sp. przez nadtlenek wodoru [17, 75].
Bakteriocyny dzia³aj¹ bakteriobójczo lub bakteriostatycznie. Atakuj¹ b³ony komórkowe drobnoustrojów wykazuj¹cych zdolne do ich przy³¹czenia receptory. Receptory te s³u¿¹ do translokacji bakteriocyn oraz innych zwi¹zków przez b³onê
cytoplazmatyczn¹. Ich budowa i w³aœciwoœci nie s¹ jednak w pe³ni poznane. Bakteriocyny mog¹: powodowaæ poracjê membrany cytoplazmatycznej bakterii, która
prowadzi do rozproszenia potencja³u transmembranowego oraz indukuje wyciek
jonów K+, ATP i aminokwasów z cytoplazmy komórek; lizê komórek oraz zak³ócaæ
lub hamowaæ syntezê DNA, RNA i bia³ek [33]. Drobnoustroje bakteriocynogenne s¹
odporne na toksyczne dzia³anie wytwarzanych przez siebie bakteriocyn. Niektóre
bakteriocyny bakterii mlekowych s¹ aktywne w stosunku do patogenów, takich jak
np., Staphylococcus czy Listeria monocytogenes, inne hamuj¹ rozwój Gram-dodatnich tlenowych i beztlenowych bakterii przetrwalnikuj¹cych z rodzajów Bacillus
i Clostridium [66].
Dro¿d¿e z rodzaju Saccharomyces charakteryzuj¹ siê wysok¹ zawartoœci¹ glukanu i mannanu w œcianie komórkowej, a zatem mog¹ wykazywaæ powinowactwo do
specyficznych adhezyn bakteryjnych. Mannany wykazuj¹ du¿e powinowactwo do
struktur fimbrialnych (lektyn) specyficznych dla wi¹zania mannoz typu 1 u bakterii
patogennych, jak E. coli i Salmonella sp. Podstawiaj¹ siê one w miejsce „zaczepu”, tj.
w miejsce przylegania tych niepo¿¹danych mikroorganizmów do receptorów struktur
nab³onkowych uk³adu trawiennego. Wówczas bakterie patogenne trac¹ mo¿liwoœæ
przylegania do powierzchni nab³onkowej i tym samym, z uwagi na strukturê mannanu, który jest nietrawiony przez uk³ad endoenzymatyczny zwierz¹t, s¹ wydalane z odchodami [26]. Badania wykaza³y adherencjê E. coli do komórek S. cerevisiae ssp.
boulardii, a aglutynacja by³a zbli¿ona do obserwowanej pomiêdzy E. coli i erytrocytami, fagocytami oraz komórkami nab³onka [29]. Ponadto badania in vitro i in vivo wykaza³y hamuj¹ce oddzia³ywanie dro¿d¿y na Salmonella Typhi i Typhimurium, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Shigella sp., Escherichia coli, Clostridium
difficile, Klebsiella sp., Yersinia enterocolitica, Candida albicans, Candida pulcherrima, Candida kruzei, Candida pseudotropicalis, Torulopsis gropengiesseri [74, 77].
124
Detoksyfikacja mikotoksyn. Mikotoksyny s¹ toksycznymi metabolitami wtórnymi grzybów i pleœni, nale¿¹cych przede wszystkim do rodzajów Aspergillus sp.,
Penicillium sp. i Fusarium sp. Pod wzglêdem chemicznym zalicza siê je do wêglowodorów aromatycznych (niekiedy do alifatycznych) o niskiej masie cz¹steczkowej,
co decyduje o ich opornoœci na czynniki œrodowiskowe oraz o braku lub s³abych
w³aœciwoœciach immunogennych [29, 39]. Najwiêksze z punktu widzenia toksykologicznego oraz etiologii niektórych chorób zwierz¹t, maj¹: aflatoksyny (AFB1,
AFB2, AFG1, AFG2), ochratoksyny (OTA i OTB), trichoteceny (DON, NIV, T-2,
HT-2, DAS), zearalenon (F-2) i fumonizyny (FB1, FB2, FB3) [45, 81, 82].
Spoœród wielu drobnoustrojów wykazuj¹cych zdolnoœæ do detoksyfikacji mikotoksyn, szczególne zainteresowanie budz¹ bakterie fermentacji mlekowej i dro¿d¿e
[60, 67, 69]. Pocz¹tkowe badania wykaza³y, ¿e ró¿ne szczepy bakterii fermentacji
mlekowej mog¹ hamowaæ biosyntezê aflatoksyn [13]. Koncepcja wykorzystania
dro¿d¿y do usuwania mikotoksyn podczas procesów fermentacyjnych pojawi³a siê
w badaniach Benneta i in. [6], którzy zastosowali zanieczyszczone zearalenonem
zbo¿e jako substrat do produkcji alkoholu przy udziale dro¿d¿y z rodzaju Saccharomyces. Badania EL-Nezami i in. [19, 20, 21, 22] dowodz¹, ¿e zdolnoœæ detoksyfikacji
mikotoksyn wykazuj¹ szczepy Lactobacillus rhamnosus (LBGG i LC705). Štyriaka
i in. [72] badali zdolnoœæ do biodegradacji deoksyniwalenolu, ochratoksyny A i fumonizyny B1 przez szczepy dro¿d¿y nale¿¹ce do rodzaju Saccharomyces, Kluyveromyces i Rhodotorula. Jedynie szczep S. cerevisiae IS 1/1 okaza³ siê skuteczny
w usuwaniu fumonizyny, powoduj¹c spadek jej stê¿enia o 45%. W przypadku
ochratoksyny A zauwa¿aln¹ skutecznoœæ wykaza³y szczepy S. cerevisiae LF 1/1, 13
i 73 (redukcja stê¿enia odpowiednio o 31%, 29% i 27%). Najskuteczniejszymi
detoksyfikantami deoksyniwalenolu by³y szczepy S. cerevisiae 13, LF 1/1 i IS 1/1
(odpowiednio o 37%, 23% i 20% zmniejszenie stê¿enia toksyny). Szczepy nale¿¹ce
do rodzaju Kluyveromyces i Rhodotorula okaza³y siê nieskuteczne lub powodowa³y
jedynie kilkuprocentow¹ redukcjê mikotoksyn.
Œli¿ewska i Biernasiak (dane nie publikowane) wykaza³y, ¿e nowy preparat probiotyczny, sk³adaj¹cy siê z bakterii z rodzaju Lactobacillus oraz dro¿d¿y Saccharomyces
cerevisiae wykazywa³ w³aœciwoœci detoksyfikacji aflatoksyny B1 i ochratoksyny A
w badaniach in vitro oraz in vivo u kurcz¹t. Po szeœciu godzinach fermentacji medium
(zmielone ziarna jêczmienia, pszenicy i kukurydzy zmieszane z wod¹) preparatem
probiotycznym iloœæ aflatoksyny B1 zmniejszy³a siê o 18–33% w stosunku do odnotowanego w próbie kontrolnej, w której nie zachodzi³ proces fermentacji, a ochratoksyny
A o 29–49%. Obecnoœæ preparatu probiotycznego w paszy przyczyni³a siê do statystycznie istotnego zwiêkszenia iloœci aflatoksyny B1 i ochratoksyny A wydalanej z organizmu kurcz¹t z ka³omoczem. Stwierdzono równie¿, ¿e u kurcz¹t spo¿ywaj¹cych paszê
ska¿on¹ aflatoksyn¹ B1 oraz z dodatkiem preparatu probiotycznego stê¿enie toksyny
w w¹trobie, nerkach oraz w surowicy krwi by³o ni¿sze o 50–70% w porównaniu z grup¹
kurcz¹t ¿ywionych pasz¹ ska¿on¹ aflatoksyn¹ B1 bez dodatku probiotyku. U kurcz¹t
125
spo¿ywaj¹cych paszê ska¿on¹ ochratoksyn¹ A oraz z dodatkiem preparatu probiotycznego, stê¿enie toksyny by³o ni¿sze o 25–48%.
Mechanizm usuwania mikotoksyn ze œrodowiska przez drobnoustroje nie zosta³
dok³adnie wyjaœniony. Z danych literaturowych wynika, ¿e w przypadku bakterii
fermentacji mlekowej i dro¿d¿y raczej nie jest to zwi¹zane z ich metabolizowaniem,
ale z adhezj¹ do struktur œcian komórkowych, co potwierdza fakt, i¿ nawet martwe
komórki zachowuj¹ tê aktywnoœæ [5]. Najwiêksz¹ rolê przypisuje siê mannano-oligosacharydom oraz beta-glukanom œciany komórkowej dro¿d¿y, natomiast w przypadku bakterii fermentacji mlekowej g³ówn¹ rolê odgrywa kwas tejchojowy, polisacharydy i peptydoglikan œciany komórkowej [69].
Zwiêkszenie aktywnoœci enzymów trawiennych i redukcja aktywnoœci enzymów
bakteryjnych. W badaniach in vitro wykazano, ¿e bakterie fermentacji mlekowej
z rodzaju Lactobacillus zdolne s¹ tak¿e do produkcji enzymów trawiennych. Ju¿
w 1980 roku Szylit i in. [73] informowali, ¿e wœród piêciu szczepów bakterii z rodzaju
Lactobacillus wyizolowanych od kurcz¹t, dwa wykazywa³y aktywnoœæ a-amylazy.
W badaniach Jin i in. [41] wykazano, ¿e w grupie kurcz¹t (B) i (C) ¿ywionych
odpowiednio pasz¹ z dodatkiem Lactobacillus acidophilus i pasz¹ z dodatkiem
mieszaniny 12 szczepów bakterii z rodzaju Lactobacillus, tj.: L. acidophilus (2),
L. fermentum (3), L. crispatus (1), L. brevis (6), odnotowano znacznie podwy¿szony
poziom amylazy (P < 0,05) w jelicie cienkim w porównaniu z grup¹ kontroln¹ (A)
¿ywion¹ standardow¹ mieszank¹ paszow¹.
Bakterie kwasu mlekowego wykazuj¹ ponadto zdolnoœæ zmniejszania aktywnoœci niektórych enzymów flory jelitowej, takich jak b-glukuronidaza, b-glukozydaza, azoreduktaza i nitroreduktaza, odpowiadaj¹cych za konwersjê substancji
o w³aœciwoœciach prokancerogennych w kancerogenne. Efekt ten potwierdzono
w badaniach na ró¿nych gatunkach zwierz¹t i ludziach [14, 32].
Dro¿d¿e S. cerevisiae sp. boulardii stymuluj¹ aktywnoœæ takich enzymów r¹bka
szczoteczkowego, jak laktaza, sacharaza, maltaza, a-glukozydaza i alkaliczna fosfataza, nie powoduj¹c jednoczeœnie zmian morfologicznych i morfometrycznych b³ony
œluzowej jelit. Prawdopodobny mechanizm dzia³ania dro¿d¿y polega na uwalnianiu
poliamin, które przyœpieszaj¹ dojrzewanie enterocytów, co skutkuje wzrostem ekspresji enzymów [42, 77].
Stymulacja systemu immunologicznego. Drobnoustroje mikroflory jelitowej s¹
g³ównym czynnikiem stymuluj¹cym uk³ad immunologiczny, co jest warunkiem rozwoju struktur limfoidalnych tego uk³adu (zwierzêta laboratoryjne urodzone i przetrzymywane w warunkach sterylnych ich nie rozwijaj¹). Dzia³anie immunomodulacyjne
mikroflory jelitowej, w tym i bakterii probiotycznych opiera siê na trzech z pozoru
przeciwstawnych zjawiskach [40, 62]: 1) indukowaniu i utrzymywaniu stanu tolerancji
immunologicznej na antygeny œrodowiskowe (pokarmowe i wziewne), 2) indukcji
i kontroli reakcji odpornoœciowych przeciwko patogenom pochodzenia bakteryjnego
i wirusowego, 3) hamowaniu reakcji autoagresyjnych i uczuleniowych.
126
W badaniach prowadzonych przez Haghighi i in. [37] wykazano, ¿e w treœci jelit
kurcz¹t otrzymuj¹cych probiotyk (0,5 ml buforu PBS zawieraj¹cego 106 bakterii, tj.
Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidum i Enterococcus faecalis), w porównaniu z grup¹ kontroln¹ (0,5 ml buforu PBS bez dodatków), wzrós³ poziom
przeciwcia³ IgA (P < 0,001), reaktywnych w stosunku do toksyny tê¿cowej (TT),
alfa-toksyny Clostridium perfringns oraz albuminy wo³owej surowicy (BSA). Podobne zale¿noœci odnotowano w stosunku do przeciwcia³ IgG, ale reaktywnych tylko
w stosunku do TT. W surowicy kurcz¹t otrzymuj¹cych probiotyk wzrós³ poziom
przeciwcia³ IgG (P £ 0,05), ale aktywnych tylko w stosunku do TT i alfa-toksyny.
Podobne zale¿noœci (P £ 0,01) odnotowano w stosunku do przeciwcia³ IgM.
W przypadku dro¿d¿y stymulacja systemu immunologicznego zwi¹zana jest
z obecnoœci¹ w ich œcianie komórkowej glukanów, zwi¹zków stymuluj¹cych odpowiedŸ uk³adu siateczkowo-œródb³onkowego [51]. S. cerevisiae sp. boulardii jest
silnym aktywatorem dope³niacza, powoduj¹cym uwalnianie biologicznie czynnych
bia³ek C2, C3, C3a i C5a poprzez alternatywn¹ i klasyczn¹ drogê aktywacji. Stwierdzono ponadto zwiêkszon¹ syntezê wydzielniczych immunoglobulin A [36].
Efekty stosowania probiotyków
Najwczeœniej i dotychczas powszechnie stosowan¹ form¹ probiotyku w ¿ywieniu
zwierz¹t by³y kiszonki, których u¿ytecznoœæ zosta³a sprawdzona przez wieloletnie
stosowanie [35]. Nowoczesne preparaty probiotyczne musz¹ byæ poddawane wszechstronnym badaniom zgodnie z Dyrektyw¹ Komisji Unii Europejskiej z dnia 17 wrzeœnia 2001 r. W Polsce stosowaæ mo¿na tylko zarejestrowane i dopuszczone do obrotu
przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi.
Wykazano przydatnoœæ stosowania probiotyków w ¿ywieniu m³odych œwiñ,
jakkolwiek ze zmiennym skutkiem, zw³aszcza w odniesieniu do takich wskaŸników
produkcyjnych, jak wzrost i wykorzystanie paszy [63, 76]. Wyniki wiêkszoœci badañ
wskazuj¹ natomiast na korzystny wp³yw probiotyków na zdrowotnoœæ prosi¹t. Najczêœciej notowanym efektem jest zmniejszenie przypadków wystêpowania biegunki
[58] i skrócenie czasu jej trwania oraz ograniczenie œmiertelnoœci prosi¹t w okresie
do- i oko³oodsadzeniowym [34, 54, 63, 70]. Wykazano, ¿e najlepsze efekty uzyskuje
siê, gdy probiotyk podawany jest ju¿ w pierwszym, a najpóŸniej w drugim dniu ¿ycia.
Dlatego prosiêtom po urodzeniu aplikuje siê je doustnie pod postaci¹ pasty, za
pomoc¹ specjalnych dozowników [41].
Doniesienia literaturowe dotycz¹ce efektu stosowania probiotyków na kurczêtach podobnie jak w przypadku trzody chlewnej s¹ zró¿nicowane. W badaniach prowadzonych przez Smulikowsk¹ i in. [71] wykazano, ¿e karmienie kurcz¹t brojlerów
pasz¹ uzupe³nion¹ preparatem probiotycznym LABYuc-ProbioÒ (zawieraj¹cym w 1 g:
4,7×107 bakterii z rodzaju Lactobacillus, 2,0×103 dro¿d¿y Saccharomyces cerevisiae
oraz 50 mg ekstraktu z Yucca schidigera) nie powodowa³o statystycznie istotnych
127
zmian w przyrostach masy cia³a i wykorzystaniu paszy w porównaniu z grup¹ kurcz¹t
otrzymuj¹c¹ paszê z dodatkiem antybiotyku lub bez ¿adnych dodatków. Podobne
zale¿noœci uzyskano w badaniach prowadzonych przez Watkins i Kratzer [79] oraz
Maiolino i in. [50]. Jednak w grupie kurcz¹t otrzymuj¹cych mieszankê uzupe³nion¹
preparatem probiotycznym LABYuc-Probioâ masa cia³a ptaków w poszczególnych
okresach odchowu by³a najbardziej wyrównana o czym œwiadczy mniejsze odchylenie standardowe.
W badaniach Jin i in. [43] wykazano, ¿e dodatek L. acidophilus lub mieszaniny
bakterii z rodzaju Lactobacillus, tj. L. acidophilus (2), L. fermentum (3), L. crispatus
(1) i L. brevis (6), do diety kurcz¹t albo L. acidophilus lub mieszaniny bakterii
z rodzaju, Lactobacillus, tj. L. acidophilus (2), L. fermentum (3), L. crispatus (1)
i L. brevis (6) do paszy dla kurcz¹t nie mia³ statystycznie istotnego wp³ywu na masê
woli, w¹troby, œledziony, dwunastnicy i jelita cienkiego w przeliczeniu na procent
masy cia³a kurcz¹t przed ubojem. Statystycznie istotne obni¿enie pH (P < 0,05),
w porównaniu z grup¹ kontroln¹, odnotowano w grupach kurcz¹t otrzymuj¹cych
paszê z dodatkiem L. acidophilus lub mieszaniny bakterii z rodzaju Lactobacillus, ale
tylko w jelicie œlepym.
Biernasiak i in. [8] stwierdzili, ¿e uzupe³nienie paszy preparatem probiotycznym
spowodowa³o statystycznie istotne zmniejszenie liczby bakterii z rodzaju Clostridium, tj. od 1 do 3 rzêdów wielkoœci, w ka³omoczu kurcz¹t w poszczególnych
tygodniach odchowu w porównaniu z grup¹ kurcz¹t otrzymuj¹cych paszê z dodatkiem antybiotyku lub bez ¿adnych dodatków (tab. 1). Ponadto wp³ynê³o na ustabilizowanie liczby bakterii z rodziny Enterobacteriaceae, w tym bakterii z grupy coli
(tab. 2). Kralik i in. [44] odnotowa³ obni¿enie liczby bakterii z rodziny Enterobacteriaceae i bakterii z grupy coli o oko³o 90%, w stosunku do próby kontrolnej, tj.
1,39 × 106 i 2,72 × 105 jtk · g–1, po 42 dniach dodawania do wody probiotyku
zawieraj¹cego 5 × 109 jtk · g–1 Enterococcus faecium M-74. Nie stwierdzili jednak
statystycznie istotnych ró¿nic w liczbie bakterii z rodzaju Staphylococcus sp., Bacillus sp. i Clostridium sp.
Tabela 1. Liczba bakterii z rodzaju Clostridium w ka³omoczu kurcz¹t [8]
Dodatek
Probiotyk
Antybiotyk
Bez dodatków
Liczba bakterii z rodzaju Clostridium [log jtk · g–1 ± SD]
II tydzieñ odchowu
III tydzieñ odchowu
IV tydzieñ odchowu
4,08 ± 0,53
3,65 ± 0,64
4,46 ± 0,50
5,99 ± 1,12
5,93 ± 1,43
6,35 ± 1,17
5,02 ± 1,13
5,24 ± 1,07
5,37 ± 0,56
Tabela 2. Liczba bakterii z rodziny Enterobacteriaceae w ka³omoczu kurcz¹t [8]
Dodatek
Probiotyk
Antybiotyk
Bez dodatków
Liczba bakterii z rodziny Enterobacteriaceae [log jtk · g–1 ± SD]
II tydzieñ odchowu
III tydzieñ odchowu
IV tydzieñ odchowu
7,59 ± 0,24
7,17 ± 0,20
7,42 ± 0,19
8,12 ± 0,51
8,08 ± 0,44
7,18 ± 1,11
8,35 ± 0,22
8,35 ± 0,11
8,66 ± 0,72
128
Stosuj¹c preparat probiotyczny z³o¿ony z Bacillus subtillis CH201 i Bacillus
licheniformis CH200 w paszy dla kur niosek odnotowano statystycznie istotne
(P < 0,05) obni¿enie zawartoœci cholesterolu i trójglicerydów w serum i ¿ó³tku jaja.
Nie stwierdzili natomiast statystycznie istotnego zwiêkszenia wykorzystania paszy,
produkcji jaj oraz wp³ywu na gruboœæ i twardoœæ skorupki [49]. Stosuj¹c natomiast
Enterococcus faecium M-74 w paszy dla kur niosek uzyskano jaja o grubszej
i odporniejszej na st³uczenie skorupce i intensywniejszej barwie ¿ó³tka [4].
Nale¿y podkreœliæ, ¿e przedstawione wy¿ej wyniki stanowi¹ tylko fragment
prowadzonych na ca³ym œwiecie badañ. Rozbie¿noœæ wyników w zaprezentowanych
przypadkach wskazuje na koniecznoœæ dalszych badañ i wyjaœnienia w¹tpliwych
efektów stosowania probiotyków w ¿ywieniu zwierz¹t.
Podsumowanie
Przysz³oœæ probiotyków to d¹¿enie do pe³nego wyjaœnienia mechanizmów ich
dzia³ania w powi¹zaniu ze wzajemnym oddzia³ywaniem mikroorganizm–zwierzê
oraz poszukiwaniem nowych szczepów. Wytyczenie odpowiednich kierunków badañ
mo¿e mieæ du¿e znaczenie dla opracowania nowych zasad profilaktyki w chowie
zwierz¹t bez stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu [35]. Nale¿y jednak
podkreœliæ, ¿e pe³na ocena skutecznoœci preparatu probiotycznego jest mo¿liwa, je¿eli
badania in vivo prowadzone bêd¹ zgodnie z procedur¹ opisan¹ w Dyrektywie Komisji
Wspólnoty Europejskiej z dnia 17 wrzeœnia 2001 r. [23, 24].
Literatura
[1]
[2]
Ahmad J. 2006. Effect of probiotics on broilers performance. Int. J. Poultry Sci. 5(6): 593–597.
Alakomi H.L., Skytta E., Saarela M., Mattila-Sandholm T., Latva-Kala K., Helander I.M. 2000. Lactic acid
permeabilizes gram-negative bacteria by disrupting the outer membrane. Appl. Environ. Microbiol. 66(5): 2001–2005.
[3] Anadón A., Martinez-Larrañaga M.R., Martinez M.A. 2006. Probiotics for animal nutrition in the European
Union. Regulation and safety assessment. Regul. Toxicol. Pharmacol. 45: 91–95.
[4] Angelowicova M. 1996. The effect of Streptococcus faecium M-74 based probiotic on the performance of
laying hens. Czech J. Anim. Sci. 41(9): 391–395.
[5] Baptista A.S., Horii J., Calori-Domingeus M.A., da Gloria E.M., Salgado J.M., Vizioli M.R. 2004. The capacity
of mannooligosaccharides thermolysed yeast and active yeast to attenuate aflatoxicosis. World J. Microbiol.
Biotechnol. 20: 475–481.
[6] Bennett G.A., Lagoda A.A., Shotwell O.L., Hesseltine C. M. 1981. Utilization of zearalenone-contaminated
corn for ethanol production. J. Am. Oil Chem. Soc. 58: 974–976.
[7] Biernasiak J., Œli¿ewska K., Libudzisz Z. 2010. Negatywne skutki stosowania antybiotyków. Post. Nauk Rol. 3:
105–117.
[8] Biernasiak J., Œli¿ewska K., Libudzisz Z., Smulikowska S. 2007. Effect of dietary probiotic containing
Lactobacillus bacteria, yeast and yucca extract on the performance and faecal microflora of broiler chickens.
Pol. J. Food Nutr. Sci. 57(4): 19–25.
[9] Blom H., Mörtvedt C. 1991. Anti-microbial substances produced by food associated microorganisms. Biochem.
Soc. Trans. 19: 694–L698.
[10] Caplice E., Fitzgerald G.F. 1999. Food fermentations: role of microorganisms in food production and
preservation. Int. J. Food Microbiol. 50: 131–149.
129
[11] Chaucheyras-Durand F., Durand H. 2010. Probiotics in animal nutrition and health. Beneficial Microbes 1: 3–9
[12] Cherrington C.A., Hinton M., Pearson G.R., Chopra I. 1991. Short-chain organic acids at pH 5,0 kill Escherichia
coli and Salmonella spp. without causing membrane perturbation. J. Appl. Bacteriol. 70(2): 161–165.
[13] Coallier-Ascah J., Idziak E.S. 1985. Interaction between Streptococcus lactis and Aspergillus flavus on
production of aflatoxin. Appl. Environ. Microbiol. 49: 163–167.
[14] Collington G.K., Parker D.S., Armstrong D.G. 1990. The influence of inclusion of either on an antibiotic or
a probiotic in the diet on the development of digestive enzyme activity in the pig. Br. J. Nutr. 64: 59–70.
[15] Czaczyk K. 2003. Tworzenie biofilmów bakteryjnych – istota zjawiska i mechanizmy oddzia³ywañ. Biotechnologia
3: 180–192.
[16] Daeschel M., Ray B. 1992. Food biopreservatives of microbial origin. CRC Press, Floryda: 560 ss.
[17] Dembele T., Obdrzalek V., Votava M. 1998. Inhibition of bacterial pathogens by lactobacilli. Zentralbl.
Bakteriol. 288(3): 395–401.
[18] Eklund T. 1983. The antimicrobial effect of dissociated and undissociated sorbic acid at different pH levels. J.
Appl. Bact. 54: 383–389.
[19] El-Nezami H., Kankaanp P., Salminen S., Ahokas J. 1998. Ability of dairy strains of lactic acid bacteria to bind
a common food carcinogen, aflatoxin B1. Food Chem. Toxicol. 36: 321–332.
[20] El-Nezami H.S., Chrevatidis A., Auriola S., Salminen S., Mykkänen H. 2002. Removal of common Fusarium
toxins in vitro by strains of Lactobacillus and Propionibacterium. Food Addit. Contam. 19: 680–686.
[21] El-Nezami H.S., Polychronaki N., Salminen S., Mykkänen H. 2002. Binding rather than metabolism may
explain the interaction of two food grade Lactobacillus strains with zearalenone and its derivative a-zearalenol.
Appl. Environ. Microbiol. 68: 3545–3549.
[22] El-Nezami H.S., Salminen S., Ahokas J.T. 1996. Biologic control of food carcinogen using Lactobacillus GG.
Nutr. Today 31: 41–43.
[23] European Commission 1994. Off J EU 22.7 L208/15
[24] European Commission 2001. Off J EU 6.10 L267/1
[25] FAO 2002. Guidelines for the evaluation of probiotics in food. Report of a Joint FAO/WHO Working Group on
Drafting Guidelines for the Evaluation of Probiotics in Food, London Ontario, Canada, April 30 and May 1.
[26] Ferket P.R., Parks C.W., Grimes J.L. 2002. Benefits of dietary antibiotic and mannanoliposaccharide supplementation for poultry. W: Proceedings of the multi-state poultry feeding and nutrition conference, Indianapolis: 5–24.
[27] Fethiere R., Miles R.D. 1987. Intestinal tract weight of chicks fed an antibiotic and probiotic. Nutr. Rep. Int. 36:
1305–1309.
[28] Fuller R. (1989) Probiotics in man and animals. J. Appl. Bacteriol. 66(5): 365–378
[29] Gajêcki M. 2002. Mikotoksyny, jako czynnik anty¿ywieniowy w produkcji zwierzêcej. Hodowca Drobiu 9: 5–17.
[30] Gedek B.R. 1999. Adherence of Escherichia coli serogroup O 157 and the Salmonella typhimurium mutant DT
104 to the surface of Saccharomyces boulardii. Mycoses 42: 261–264.
[31] Glynn M.K., Bopp C., Dewitt W., Dabney P., Mokhtar M., Angulo F.J. 1998. Emergence of multidrug-resistant
Salmonella enetrica serotype typhimurium DT 104 infections in the United States. N. Engl. J. Med. 338:
1333–1338
[32] Goldin B.R., Gorbach S.L. 1992. Probiotics, the scientific basis. Chapman and Hall Ltd, London: 860 ss.
[33] Grajek W., Sip A. 2004. Biologiczne utrwalanie ¿ywnoœci z wykorzystaniem metabolitów bakterii mlekowych.
W: Bakterie fermentacji mlekowej Klasyfikacja, metabolizm, genetyka, wykorzystanie. Wydawnictwo P£,
£ódŸ: 175–226.
[34] Grela E. 2004. Optymalizacja ¿ywienia œwiñ z wykorzystaniem nowej generacji dodatków paszowych. Pr. Mat.
Zoot. 15: 53–63.
[35] Grzybowski R.A. 2004. Preparaty probiotyczne w ¿ywieniu zwierz¹t. W: Bakterie fermentacji mlekowej
Klasyfikacja, metabolizm, genetyka, wykorzystanie. Wydawnictwo P£, £ódŸ: 227–239.
[36] Guslandi M., Giollo P., Testoni P.A. 2003. A pilot trial of Saccharomyces boulardii in ulcerative colitis. Eur. J.
Gastroenterol. Hepatol. 15: 697-698.
[37] Haghighi H.R., Gong J., Gyles C.L., Hayes M.A., Zhou H., Sanei B., Chambers J.R., Sharif S. 2006. Probiotics
stimulate production of natural antibodies in chickens. Clin. Vac. Immunol. 13(9): 975–980.
[38] Harms H.K., Bertele-Harms R.M., Bruer-Kleis D. 1987. Enzyme substitution therapy with the yeast Saccharomyces cerevisiae in congenital sucrase-isomaltase deficiency. N. Engl. J. Med. 316: 1306–1309.
[39] Hussein H.S., Brasel J.M. 2001. Toxicity, metabolism and impact of mycotoxins on humans and animals.
Toxicology 167: 101–134.
130
[40] Isolauri E., Sütas Y., Kankaanpää P., Arvilommi H., Salminen S. 2001. Probiotics: effects on immunity. Am. J.
Clin. Nutr. 73: 444S–450S.
[41] Janik A., Kaska M., Paluch U., Pieszka M., Borowicz T. 2006. Probiotyki w ¿ywieniu prosi¹t. Wiadomoœci
Zootechniczne R.XLIV: 1–39.
[42] Jin L.Z., Ho Y.W., Abdullah N., Ali M.A., Jalaludin S. 2000. Digestive and bacterial enzyme activities in
broilers fed diets supplemented with Lactobacillus cultures. Poult. Sci. 79: 67–71.
[43] Jin L.Z., Ho Y.W., Abdullah N., Ali M.A., Jalaludin S. 1998. Effects of adherent Lactobacillus cultures on
growth, weight of organs and intestinal microflora and volatile fatty acids in broilers. Anim. Feed Sci. Technol.
70: 197–209.
[44] Kralik G., Milakoviæ Z., Ivankoviæ S. 2004. Effect of probiotic supplementation on the performance and the
composition of the intestinal microflora in broilers. Acta Agraria Kaposváriensis 8(2): 23–31.
[45] Kumar V., Basu M.S., Rajendran T.P. 2008. Mycotoxin research and mycoflora in some commercially
important agricultural commodities. Crop Protection 27: 891–905.
[46] Kurtzman C.P. 2003. Phylogenetic circumscription of Saccharomyces, Kluyveromyces and other members of
the Saccharomycetaceae, and the proposal of the new genera Lachancea, Nakaseomyces, Naumovia, Vanderwaltozyma and Zygotorulaspora. FEMS Yeast Res. 4(3): 233–245.
[47] Lilly D.M., Stillwell R.H. 1965. Probiotics: Growth promoting factors produced by microorganisms. Science
147: 747–748.
[48] Ma Y.L., Guo T., Xu Z.R., You P., Ma J.F. 2006. Effect of Lactobacillus isolates on the adhesion of pathogens to
chicken intestinal mucus in vitro. Lett. App. Microbiol. 42: 369–374.
[49] Mahdari A.H., Rahmani H.R., Pourreza I. 2005. Effect of probiotic supplements on egg quality and laying hen’s
performance. Int. J. Poult. Sci. 4(7): 488–492.
[50] Maiolino R., Fioretii A., Menna L.F., Meo C. 1992. Research on the efficiency of probiotics in diets for broiler
chickens. Nutr. Abstr. Rev. Series B 62: 482.
[51] Marteau P., Shanahan F. 2003. Basic aspects and pharmacology of probiotics: an overview of pharmacokinetics, mechanisms of action and side-effects. Best Pract. Res. Clin. Gastr. 17(5): 725–740.
[52] Mercenier A., Pavan S., Pot B. 2003. Probiotics as biotherapeutic agents: Present knowledge and future
prospects. Curr. Pharm. Design 9: 175–191.
[53] Messens W., de Vuyst L. 2002. Inhibitory substances produced by Lactobacilli isolated from sourdough –
a review. Int. J. Food Microbiol. 72: 31–43.
[54] Miko³ajczak J., Jarzynowska A., El-Essa 2004. Wp³yw preparatu probiotycznego na tempo wzrostu i stan
zdrowotny prosi¹t. Rocz. Nauk. Zoot. 20: 115–119.
[55] Mitterdorfer G., Mayer H.K., Kneifel W., Viernstein H. 2002. Clustering of Saccharomyces boulardii strains
within the species S. cerevisiae using molecular typing techniques. J. Appl. Microbiol. 18: 521–530.
[56] Nousiainen J., Jaranainen P., Setala J., von Wright A. 2004. Lactic acid bacteria as animal probiotics. Food Sci.
Technol. 139: 547–580.
[57] Oatley J.T., Rarick M.D., Ji G.E., Linz J.E. 2000. Binding of aflatoxin B1 to Bifidobacteria in vitro. J. Food
Prot. 63(8): 1133–1136.
[58] Pejsak Z. 1996. Probiotyki, mechanizmy dzia³ania oraz przydatnoœæ w ochronie zdrowia œwiñ. Trz. Chl. 34:
60–62.
[59] Philips I., Casewell M., Cox T., de Groot B., Friis Ch., Jones R., Nightingale Ch., Preston R., Waddell J. 2003.
Does the use of antibiotic in food animals pose a risk to human health? A critical review of published data. J.
[60] Piotrowska M., ¯akowska Z. 1998. Badania nad mo¿liwoœci¹ wykorzystania bakterii fermentacji mlekowej do
detoksyfikacji mikotoksyn w ¿ywnoœci. Mat. konf. nauk. „Mikotoksyny w ¿ywnoœci i paszach”, Bydgoszcz,
17–19 VI 1998: 126–131.
[61] Podkówka W., Podkówka Z. 1995. Dodatki paszowe dla œwiñ. Wydawca Instytut Fizjologii i ¯ywienia
Zwierz¹t im. Jana Kielanowskiego PAN, Jab³onna: 105 ss.
[62] Ptak W., Ptak M., P³ytycz B. 2003. Co rozpoznaje uk³ad immunologiczny? Na drodze do nowego paradygmatu.
Kosmos 52: 149–156.
[63] Rekiel A., Kulisiewicz J. 1996. Zastosowanie dodatków zakwaszaj¹cych i probiotycznych w wychowie prosi¹t.
Med. Wet. 52: 266–269.
[64] Saarela M., Mogensen G., Fonden R., Matto J., Mattila-Sandholm T. 2000. Probiotic bacteria: safety, functional
and technological properties. J. Biotech. 84: 197–215.
131
[65] Salminen S., Ouwehand A., Benno Y., Lee Y.K. 1999. Probiotics: how should they be defined? Trends Food
Sci. Technol. 10: 107–110.
[66] Schillinger R.G., Holzapfel W.H. 1996. Potential of antagonistic microorganisms and bacteriocins for the
biological preservation of food. Trends Food Sci. Technol. 7: 158–164.
[67] Schnürer J., Magnusson J. 2005. Antifungal lactic acid bacteria as biopreservatives. Trends Food Sci. Technol.
16: 70–78.
[68] Schrezenmeir J., de Vrese M. 2001. Probiotics, prebiotics and synbiotics-approaching a definition. Am. J. Clin.
Nutr. 73: 361S–364S.
[69] Shetty P.H., Jespersen L. 2006. Saccharomyces cerevisiae and lactic acid bacteria as potential mycotoxin
decontaminating agents. Trends Food Sci. Technol. 17: 48–55.
[70] Siuta A., Kamiñski J., Migda³ W. 1999. Stymuluj¹ce dzia³anie probiotycznego dodatku na efekty odchowu
prosi¹t. „Potrzeby pokarmowe wysoko wydajnych zwierz¹t fermowych”, Krynica, 9–10 IX 1999: 287–291.
[71] Smulikowska S., Œli¿ewska K., Biernasiak J., Mieczkowska A., Micha³owski P. 2005. The effect of probiotic
composed of Lactobacillus and yeast, and of flavomycin on the performance and faecal microflora of broiler
chickens. J. Anim. Feed Sci. 14(1): 483–485.
[72] Ötyriak I., Èonková E., Kmet V., Böhm J., Razzazi E. 2001. The use of yeast for microbial degradation of some
selected mycotoxin. Mycotoxin Res. 174 (2): 24–27.
[73] Szylit O., Champ M., Ait-Abdelkader N., Raibaud P. 1980. Role of five Lactobacillus strains on carbohydrate
degradation in monoxenic chickens. Reprod. Nutr. Devel. 20: 1701–1706.
[74] Tasteyre A., Barc M.C., Karjalainen T., Bourlioux P., Collignon A. 2002. Inhibition of in vitro cell adherence of
Clostridium difficile by Saccharomyces boulardii. Microb. Pathogen. 32: 219–225.
[75] Tomas M.S., Otero C.M., Ocana V., Nader-Macias E.M. 2004. Production of antimicrobial substances by lactic
acid bacteria I: Determination of hydrogen peroxide. Methods Mol. Biol. 268: 337–346.
[76] Turner J.L., Pas S., Dritz S., Minton J.E. 2002. Alternatives to conventional antimicrobials in swine diets. Prof.
Anim. Sci. 17: 217–226.
[77] Van der Aa Kühle A., Skovgaard K., Jespersen L. 2005. In vitro screening of probiotic properties of
Saccharomyces cerevisiae var. boulardii and food-borne Saccharomyces cerevisiae strains. Int. J. Food
Microbiol. 101: 29–39.
[78] Vergin F. 1954. Anti- und Probiotika. Hipokrates 25: 16–119.
[79] Watkins B.A., Kratzer F.H. 1983. Effect of oral dosing of Lactobacillus strains on gut colonization and liver
biotin in broiler chicks. Poult. Sci. 62: 2088–2094.
[80] Welman A.D., Maddox I.S. 2003. Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: perspectives and challenges.
Trends Biotechnol. 21 (6): 269–274.
[81] Wertelecki T. 2005. Mikotoksyny (cz. II) wystêpowanie mikotoksynozy a zdrowotnoœæ i produkcyjnoœæ drobiu,
bezpieczeñstwo w ³añcuchu troficznym. Hodowca drobiu 5: 4–21
[82] Yiannikouris A., Jouany J.P. 2002. Les mycotoxines dans les aliments des ruminants, leur devenir et leurs effets
chez l’animal. INRA Prod. Anim. 15: 3–16.
Probiotics in animal feeding
Key words: probiotics, action, poultry, pigs, cattle
Summary
According to the definition accepted by FAO and WHO, probiotics are live microorganisms which, when administered in adequate amount, confer a health benefit on
the host. Micro-organisms used in animal feed in the EU are mainly bacterial strains of
Gram-positive bacteria belonging to the species Bacillus, Enterococcus, Lactobacillus, Pediococcus, Streptococcus and strains of yeast belonging to the Saccha-
132
romyces. In this review the current legislation in the European Union on probiotics
feed additives including the requirements for the safety assessment for the target animal species, consumers, workers and environment was described. There were demonstrated the basic mechanisms of probiotics action in animal feeding including: support
of microbiological balance in gastrointestinal tract by adhesion to the intestinal
ephitelium cell, production of toxic conditions and compounds (volatile fatty acids,
low pH and bacteriocins); detoxification of mycotoxins; influence on feed conversion
ratio and stimulation of the immune system. Additional the effects of probiotics application in poultry and pigs feeding with regard to own investigation were presented.
Zastosowanie glicerolu i produkowanej z niego
biomasy dro¿d¿owej w ¿ywieniu zwierz¹t
Aleksandra WoŸnica1, Anna Czech2
1
Skotan S.A., ul. Uniwersytecka 13, 40-007 Katowice,
2
Katedra Biochemii i Toksykologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie,
ul Akademicka 13, 20-950 Lublin,
S³owa kluczowe: glicerol surowy, dro¿d¿e paszowe, Yarrowia lipolytica,
biomasa
Wstêp
Dyrektywa Unii Europejskiej 2003/30/EC z dnia 8 maja 2003 r. [9] wprowadzi³a
nakaz stosowania dodatku biokomponentów do paliw konwencjonalnych przez kraje
cz³onkowskie Unii Europejskiej w iloœci 5,75% do 2010 r. i 20% do 2020 r. Wskutek
tego zaczê³a siê dynamicznie rozwijaæ produkcja bioetanolu oraz estrów metylowych
wy¿szych kwasów t³uszczowych (biodiesla). Konsekwencj¹ zwiêkszenia produkcji
biodiesla jest wzrost iloœci produktów ubocznych: wyt³oków rzepakowych i glicerolu.
Problem zagospodarowania tych produktów ubocznych narasta, dlatego warto poœwiêciæ mu wiêcej uwagi. Dla przemys³u paszowego zarówno makuchy rzepakowe jak
równie¿ glicerol to Ÿród³o cennych surowców, które s¹ tañsze od surowców rolniczych
przeznaczonych na pasze, a jednoczeœnie maj¹ wysok¹ wartoœæ pokarmow¹. Ma to
szczególne znaczenie ekologiczne. Powsta³e produkty uboczne s¹ zagospodarowywane
i przerabiane na cenne produkty ¿ywieniowe, które mog¹ byæ Ÿród³em deficytowego na
rynku paszowym bia³ka oraz aminokwasów egzogennych.
Glicerol w ¿ywieniu zwierz¹t
Podczas produkcji biodiesla jako produkt uboczny powstaje tzw. frakcja glicerynowa, która zawiera do 50% glicerolu. Resztê tej frakcji stanowi¹ kwasy t³uszczowe,
estry, myd³a, lecytyny, bia³ka i peptydy, barwniki naturalne (chlorofil, antocyjany),
witaminy rozpuszczalne w wodzie i emulgatory pochodzenia naturalnego [27].
134
A. WoŸnica, A. Czech
Wed³ug najnowszych prognoz, w najbli¿szych latach w Polsce do produkcji
biodiesla zostanie wykorzystane rocznie oko³o 800 tys. ton rzepaku, w tym frakcja
glicerynowa stanowi od 10–20% tego surowca [27]. W Europie w najbli¿szej przysz³oœci bêdzie powstawa³o ok. 1 miliona ton glicerolu rocznie. Zagospodarowanie
takiej iloœci glicerolu mo¿e sprawiæ wiele trudnoœci, dlatego szuka siê nowych
sposobów na rozwi¹zanie tego problemu.
Glicerol, jako produkt uboczny, powstaj¹cy przy produkcji biopaliw, mo¿e byæ
u¿ywany miêdzy innymi, jako g³ówny sk³adnik pod³o¿y hodowlanych w procesach
biotechnologicznych. Mo¿e byæ równie¿ wykorzystywany, jako dodatek paszowy
w ¿ywieniu zwierz¹t. Jest on zarejestrowanym dodatkiem paszowym (E 422) w kategorii „dodatki technologiczne” i nie ma ograniczeñ zarówno iloœciowych, jak
równie¿ w odniesieniu do gatunku zwierz¹t [6]. W wyniku ci¹gle rosn¹cej produkcji
biopaliw a tym samym i glicerolu, zosta³ on wpisany w Niemczech na „pozytywn¹
listê” materia³ów paszowych [28].
Przydatnoœæ glicerolu w ¿ywieniu zwierz¹t zosta³a potwierdzona w wielu badaniach, które wykaza³y, ¿e jest on bardzo cennym Ÿród³em energii w mieszankach dla
œwiñ [19]. Wed³ug Maribo i Mikkelsen [21] dodatek glicerolu w iloœci 3% lub 6%
w mieszankach dla prosi¹t o masie cia³a 7–30 kg przyczyni³ siê do istotnie wy¿szych
przyrostów dziennych. Najwy¿sze przyrosty dzienne (519 g) wykaza³y prosiêta
otrzymuj¹ce 6% glicerolu w dawce, natomiast przyrost zwierz¹t otrzymuj¹cych 3%
glicerolu wynosi³ 503 g. Najni¿szym tempem wzrostu charakteryzowa³y siê prosiêta
nie otrzymuj¹ce glicerolu w dawce ¿ywieniowe (496 g).
Bardzo obiecuj¹ce wydaje siê wykorzystanie glicerolu w ¿ywieniu krów wysokomlecznych, zw³aszcza po wycieleniu, kiedy trudno zaspokoiæ ich zapotrzebowanie na
energiê. W badaniach Fishera i in. [12] krowy, którym podawano glicerol w iloœci
347 g dziennie, traci³y podczas pierwszych 8 tygodni na wadze mniej ni¿ krowy,
którym podawano po³owê tej dawki, glikol propylenowy lub dawkê kontroln¹ opart¹
na kukurydzy.
Badania Kijora i in. [17] przeprowadzone na œwiniach, którym podawano 5, 10, 20
lub 30% glicerolu w miejsce œruty jêczmiennej pokaza³y, ¿e pasze zawieraj¹ce
glicerol by³y chêtniej wyjadane, co autorzy t³umacz¹ s³odkim smakiem i lepsz¹
struktur¹ mieszanki. Optymaln¹ iloœæ glicerolu w paszy oceniono na 10%.
Podsumowuj¹c omówione badania mo¿na stwierdziæ, ¿e pochodz¹cy z produkcji
biodiesla glicerol mo¿e byæ wykorzystany w ¿ywieniu zwierz¹t gospodarskich.
Wiêkszoœæ danych literaturowych opisuj¹cych wykorzystanie glicerolu w ¿ywieniu
zwierz¹t pochodzi sprzed kilku, a nawet kilkunastu lat, dlatego istnieje koniecznoœæ
ich aktualizacji.
Zastosowanie glicerolu …
135
Dro¿d¿e Yarrowia lipolytica i ich unikalne w³aœciwoœci
Innym alternatywnym i niekonwencjonalnym sposobem wykorzystania frakcji
glicerynowej pochodz¹cej z produkcji biopaliw jest przetworzenie jej w biomasê
dro¿d¿ow¹ przy udziale dro¿d¿y z gatunku Yarrowia lipolytica [16]. Dro¿d¿e te
wyró¿niaj¹ siê niezwyk³ymi w³aœciwoœciami fizjologicznymi i biochemicznymi,
maj¹ du¿y potencja³ biotechnologiczny, który mo¿ne staæ siê ³¹cznikiem miêdzy
produktami ubocznymi po produkcji biopaliw a pasz¹ dla zwierz¹t. Yarrowia lipolytica s¹ to dimorficzne dro¿d¿e tworz¹ce kremowe, nieregularne kolonie z licznymi
strzêpkami [3]. Ich obecnoœæ stwierdzono w margarynie, roœlinach zbo¿owych,
produktach miêsnych z wysok¹ zawartoœci¹ bia³ka, warzywach, mro¿onej ¿ywnoœci,
winach, smole i ropie [25].
Barnett i in. [1] zajêli siê dok³adn¹ analiz¹ asymilowanych przez Yarrowia
lipolytica substratów. Odkryli oni, ¿e dro¿d¿e te, jako Ÿród³o wêgla wykorzystuj¹
glukozê, alkohole, octany oraz substraty hydrofobowe jak: kwasy t³uszczowe lub
alkany, natomiast nie wykorzystuj¹ sacharozy [1]. Dziêki unikalnym w³asnoœciom,
dro¿d¿e Yarrowia lipolytica mog¹ byæ i s¹ wykorzystywane przede wszystkim
w przemyœle spo¿ywczym. Od wielu lat szczep ten znalaz³ zastosowanie w przetwórstwie mleczarskim oraz w innych dziedzinach przetwórstwa spo¿ywczego wymagaj¹cych dzia³ania kultur dro¿d¿owych do prawid³owego dojrzewania produktów spo¿ywczych. Znalaz³o to potwierdzenie w badaniach dotycz¹cych procesów dojrzewania m.in. serów oraz kie³bas [11, 14].
Po³omska i in. [23] badali przydatnoœæ pod³o¿y s³odowych i serwatkowych do
produkcji biomasy przez kilka szczepów w tym Yarrowia lipolytica. Pod³o¿a te
ró¿ni³y siê zawartoœci¹ cukrów, zwi¹zków mineralnych oraz czynników wzrostowych. Szczep Yarrowia lipolytica JII1c charakteryzowa³ siê najwy¿szym stopniem
prze¿ywalnoœci, powy¿ej 80% we wszystkich preparatach niezale¿nie od po¿ywki
wzrostowej i zastosowanego czynnika ochronnego [23]. Podobnie w badaniach
przeprowadzonych przez Czajguck¹ i in. [7] wykazano, ¿e proteazy szczepu Yarrowia
lipolytica JII1c charakteryzuj¹ siê najwy¿sz¹ aktywnoœci¹ wobec kazeiny, co ma
pozytywny wp³yw na proces dojrzewania serów.
Korzystne zastosowanie Yarrowia lipolytica wykazano równie¿ w produkcji
suchych kie³bas dojrzewaj¹cych, gdzie szczep ten okaza³ siê doskona³ym czynnikiem
wp³ywaj¹cym na w³aœciwoœci smakowo-zapachowe, przy czym nie stwierdzono ich
znacz¹cego wp³ywu na akumulacjê amin biogennych [14]. Gardini i in. [13] scharakteryzowali szczepy Yarrowia lipolytica wystêpuj¹ce w tradycyjnych suchych kie³basach po³udniowych W³och. Wykazali oni, ¿e dro¿d¿e Yarrowia lipolytica s¹ bezpieczne dla konsumenta zarówno podczas stosowania tych kultur w przetwórstwie
produktów pochodzenia zwierzêcego, a tak¿e spo¿ywania produktów finalnych.
136
Produkcja biomasy dro¿d¿owej
przy udziale szczepu dro¿d¿yYarrowia lipolytica A-101
W roku 2006 zespó³ badawczy Rymowicza z Uniwersytetu Przyrodniczego we
Wroc³awiu opracowa³ unikaln¹ technologiê produkcji dro¿d¿y paszowych przy u¿yciu szczepu Yarrowia lipolytica A-101 [22]. Otrzymany produkt analizowano w ró¿nych niezale¿nych laboratoriach w Polsce i zosta³ on wysoko oceniony pod wzglêdem
przydatnoœci ¿ywieniowej. Z badañ innych [22] oraz w³asnych wynika, ¿e dro¿d¿e
z gatunku Yarrowia lipolytica charakteryzuj¹ siê wysok¹ zawartoœci¹ bia³ka ogólnego
(ok. 45%), suchej masy (ok. 97%) oraz nisk¹ zawartoœci¹ popio³u surowego (ok. 5%).
S¹ równie¿ cennym Ÿród³em witamin zw³aszcza z grupy B. Zawartoœæ witaminy B1
wynosi ok. 95 mg · kg–1 natomiast B2 ok. 16 mg · kg–1. Cechuj¹ siê one równie¿
wysok¹ zawartoœci¹ fosforu, ¿elaza, sodu i cynku (tab. 1).
Tabela 1. Zawartoœæ sk³adników mineralnych w biomasie dro¿d¿y szczepu Yarrowia lipolytica
Sk³adniki mineralne
Wapñ [g · kg–1 s.m.]
Fosfor [g · kg–1 s.m.]
Sód [g · kg–1 s.m.]
Potas [g · kg–1 s.m.]
Magnez [g · kg–1 s.m.]
¯elazo [mg · kg–1 s.m.]
MiedŸ [mg · kg–1 s.m.]
Mangan [mg · kg–1 s.m.]
Cynk [mg · kg–1 s.m.]
Jod [mg · kg–1 s.m.]
Molibden [mg · kg–1 s.m.]
Zawartoœæ
1,54 ±0,03
4,86 ±0,11
10,30 ±0,69
13,40 ±1,01
1,87 ±0,01
124,20 ±3,69
6,78 ±0,65
2,50 ±0,21
72,10 ±2,32
0,41 ±0,002
0,38 ±0,001
Biomasê do produkcji dro¿d¿y paszowych stanowi³y produkty uboczne po produkcji estrów metylowych, takie jak woda glicerynowa, gliceryna – 88%, szlamy
poprodukcyjne zawieraj¹ce nieprzereagowane kwasy t³uszczowe oraz gumy powstaj¹ce w pierwszej fazie czyszczenia olejów surowych [16]. Przede wszystkim, dla tego
szczepu uda³o siê, w porównaniu z innymi testowanymi szczepami dro¿d¿y gatunku
Yarrowia lipolytica, uzyskaæ wyj¹tkowo korzystn¹ wydajnoœæ produkcji biomasy
oraz znaczn¹ tolerancjê na niekorzystne warunki procesu hodowli, takie jak wzrastaj¹ce ciœnienie osmotyczne oraz niskie pH po¿ywki. Dziêki temu jego hodowla jest
du¿o prostsza, poniewa¿ istnieje ma³e ryzyko zanieczyszczenia przez inne mikroorganizmy. Jednoczeœnie uzyskiwana biomasa ma korzystne w³aœciwoœci od¿ywcze,
takie jak wysoka zawartoœæ ³atwo przyswajalnego bia³ka i witamin, zw³aszcza z grupy
B. Otrzymane w tej technologii dro¿d¿e paszowe mog¹ byæ stosowane, jako wysokowartoœciowy materia³ paszowy zw³aszcza, gdy wci¹¿ rosn¹ce zapotrzebowanie na
bia³ko paszowe powoduje koniecznoœæ poszukiwania nowych dróg jego produkcji.
Bia³ko pochodz¹ce z dro¿d¿y paszowych, ma wysok¹ wartoœæ biologiczn¹ ze
wzglêdu na dobrze zbilansowany sk³ad aminokwasowy. Charakteryzuje siê równie¿
dobr¹ przyswajalnoœci¹ przez zwierzêta. Carlton i in. [5] badali u odsadzonych prosi¹t
137
efektywnoœæ stosowania 5% dodatku ekstraktu dro¿d¿y w porównaniu do 5% dodatku
suszonej rozpy³owo plazmy krwi. W doœwiadczeniu nie stwierdzono istotnych ró¿nic
w przyrostach masy cia³a oraz wykorzystaniu paszy. Potwierdza to przydatnoœæ
bia³ka pochodz¹cego z dro¿d¿y w ¿ywieniu m³odych prosi¹t. Bia³ko dro¿d¿y charakteryzuje siê wy¿sz¹ strawnoœci¹ ni¿ bia³ko zawarte w œrucie sojowej.
Charakterystyka pokarmowa i funkcjonalna
dro¿d¿y paszowych
Wartoœæ pokarmowa dro¿d¿y zale¿na jest od sk³adu chemicznego, na który ma
wp³yw: technologia produkcji, rodzaj u¿ytych szczepów oraz jakoœæ pod³o¿a bêd¹cego Ÿród³em substratów. Dro¿d¿e zawieraj¹ wiele cennych enzymów, du¿e iloœci
witamin z grupy B, choliny, biotyny, niacyny oraz innych zwi¹zków biologicznie
czynnych. Zawartoœæ energii metabolicznej w dro¿d¿ach jest zró¿nicowana i wynosi
od 11 do 25 MJ · kg–1, w zale¿noœci od iloœci t³uszczu, w³ókna i skrobi [8]. Bia³ko
dro¿d¿y jest szczególnie cenne ze wzglêdu na du¿¹ iloœæ lizyny (oko³o 8%), charakteryzuje siê równie¿ dobr¹ przyswajalnoœci¹ przez zwierzêta [8].
Dro¿d¿e paszowe poprawiaj¹ zdrowie zwierz¹t, eliminuj¹ mikotoksyny z paszy
oraz patogenne bakterie z przewodu pokarmowego, jednoczeœnie podnosz¹ status
immunologiczny organizmu. Wysoka zawartoœæ bia³ka i aminokwasów zwiêksza
efekty produkcyjne, poprawia kondycjê i rozród zwierz¹t [2].
W stosowanych w Polsce mieszankach dla trzody chlewnej udzia³ dro¿d¿y paszowych suszonych nie przekracza na ogó³ kilku procent, najczêœciej od 2 do 5% [26].
Wed³ug niemieckich norm DLG [2008] zaleca siê ograniczenie iloœci dro¿d¿y do 5%
w mieszankach pe³noporcjowych dla prosi¹t oraz 10% w mieszankach przeznaczonych dla loch i tuczników. Jurgens i in. [15] przeprowadzili badania, nad zastosowaniem w ¿ywieniu loch i prosi¹t aktywnych dro¿d¿y S. cerevisiae w iloœciach do 3%
(lochy karmi¹ce) oraz 4% (prosiêta). Dro¿d¿e te zawiera³y w 1 g minimum 15 × 109 jkt.
Uzyskane wyniki wskazuj¹, na poprawê wartoœci od¿ywczych mleka loch w porównaniu z grup¹ kontroln¹. Przejawia³o siê to wzrostem suchej masy, bia³ka i gamma
globulin. Okaza³o siê równie¿, ¿e dodatek aktywnych dro¿d¿y do mieszanek dla loch
ciê¿arnych i ich prosi¹t ss¹cych wp³yn¹³ korzystnie na przyrosty odsadzonych prosi¹t
oraz wykorzystanie paszy.
Dro¿d¿e paszowe wzbogacone w mikroelementy
Wraz z rozwojem nauk o ¿ywieniu zwierz¹t coraz wiêcej uwagi poœwiêca siê
zbilansowaniu sk³adników diety z zapotrzebowaniem zwierz¹t, w tym dostarczenie
wszystkich mikroelementów niezbêdnych do prawid³owego funkcjonowania organizmów ¿ywych. W zwi¹zku z tym zwiêksza siê zainteresowanie producentów pasz
dro¿d¿ami wzbogaconymi w mikroelementy takie jak miedŸ, lit, selen, cynk, chrom,
138
magnez. Dro¿d¿e S. cerevisiae wi¹¿¹ ze œrodowiska jony metali, a nastêpnie trwale je
w³¹czaj¹ w swoje struktury komórkowe. W ten sposób powstaj¹ trwa³e kompleksy
z bia³kami okreœlane, jako biopleksy lub metalobia³ka [20].
Du¿e nadzieje wi¹¿e siê szczególnie z chromem, który jest pierwiastkiem œladowym, niezbêdnym do prawid³owego metabolizmu glukozy, insuliny, kwasów t³uszczowych, bia³ek oraz wzrostu miêœni. Przypuszcza siê, ¿e jego odpowiednia poda¿
mo¿e powodowaæ zmniejszanie ot³uszczenia tusz wieprzowych. Dro¿d¿e wzbogacone w sk³adniki mineralne, tj. chrom czy selen, w organizmie zwierzêcia zachowuj¹
siê jak chelaty. W wyniku skarmiania organicznych form mikrosk³adników ich
przyswajanie i wykorzystanie jest lepsze, co ma du¿e znaczenie fizjologiczne i ekologiczne oraz wp³ywa na ograniczenia ska¿enia œrodowiska [2].
Biopierwiastkiem o szczególnym znaczeniu dla funkcjonowania organizmów
¿ywych jest równie¿ magnez. Charakteryzuje siê on wielokierunkow¹ aktywnoœci¹
biologiczn¹ zwi¹zan¹ z aktywacj¹ licznych enzymów, udzia³em w syntezie bia³ek,
kwasów nukleinowych, metabolizmie lipidów oraz termoregulacji [4]. B³a¿ejak i in.
[4] badali mo¿liwoœæ wi¹zania jonów Mg2+ przez szczep dro¿d¿y piwowarskich
Saccharomyces cerevisiae w warunkach hodowli stacjonarnej. Hodowle dro¿d¿y
prowadzono na pod³o¿u YPD wzbogaconym w sole magnezu. Badany szczep wykaza³ zdolnoœæ trwa³ego i szybkiego wi¹zania jonów Mg2+ z pod³o¿y doœwiadczalnych.
Musia³ i in. [22] zajmowali siê produkcj¹ dro¿d¿y paszowych Yarrowia lipolytica
wzbogaconych w selen i chrom. Oceniali mo¿liwoœci akumulacji chromu i selenu
oraz zakres stê¿eñ tych pierwiastków nie wp³ywaj¹cy hamuj¹co na wzrost dro¿d¿y
Yarrowia lipolytica A-101. Do produkcji biomasy dro¿d¿y w bioreaktorze zastosowali surowy olej rzepakowy oraz syrop glukozowy. Badania pokaza³y, ¿e dro¿d¿e
Yarrowia lipolytica A-101 bez wzglêdu na Ÿród³o wêgla charakteryzuj¹ siê dobr¹
akumulacj¹ selenu i chromu w komórce. Otrzymane wyniki zachêcaj¹ do dalszych
badañ oraz pokazuj¹ jak olbrzymi potencja³ maj¹ dro¿d¿e tego gatunku.
Z badañ Fernandes i in. [10] wynika, ¿e dro¿d¿e paszowe powstaj¹ce przy
produkcji etanolu z trzciny cukrowej s¹ równie¿ zasobne w makro- i mikroelementy.
Zawieraj¹ one szczególnie du¿o potasu i ¿elaza oraz sodu, cynku, rubidu, bromu,
ceru i chromu. Nie jest jednak znana bioprzyswajalnoœæ tych pierwiastków u zwierz¹t gospodarskich.
W Polsce powsta³a równie¿ bezodpadowa technologia produkcji dro¿d¿y paszowych Biocer®, wzbogacanych w selen, cynk oraz chrom na bazie kultur Saccharomyces cerevisiae oraz melasy. Œrednia zawartoœæ selenu w tych dro¿d¿ach wynosi³a
1534 ppm, cynku 8717 ppm, natomiast chromu 891 ppm [24]. Istotna jest du¿a
bioprzyswajalnoœæ tych pierwiastków u zwierz¹t. Badania na tucznikach, u których
w diecie zastosowano dro¿d¿e Biocer® pokaza³y, ¿e absorpcja pozorna wynosi³a dla:
Zn ponad 68%, Se ponad 80%, a Cr ponad 43% i by³a wy¿sza ni¿ w grupie kontrolnej,
której podawano mieszankê ze standardowym premiksem [18].
139
Podsumowanie
Produkt uboczny, jakim jest frakcja glicerynowa powstaj¹ca przy produkcji
biopaliw mo¿e stanowiæ cenne Ÿród³o surowców dla przemys³u paszowego – glicerolu oraz biomasy dro¿d¿owej wytwarzanej przy u¿yciu dro¿d¿y szczepu Yarrowia
lipolytica. Biomasa tych dro¿d¿y jest cennym Ÿród³em bia³ka o dobrym sk³adzie
aminokwasowym, Ÿród³em witamin oraz sk³adników mineralnych.
Krajowa produkcja bia³kowych surowców paszowych nie pokrywa zapotrzebowania, co stwarza potrzebê ich importu. Polski przemys³ paszowy wykorzystuje
dro¿d¿e pochodz¹ce z browarów i importowane dro¿d¿e Saccharomyces cerevisiae
wzbogacone w mikrosk³adniki, takie jak chrom, selen i ¿elazo. Unikalne w³aœciwoœci
dro¿d¿y szczepu Yarrowia lipolytica mog¹ u³atwiæ zagospodarowanie produktów
ubocznych po produkcji biodiesla, a produkcja biomasy pozwoli na zmniejszenie
deficytu pasz bia³kowych na krajowym rynku paszowym.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
Barnett J.A., Payne R.W., Yarrow D. 1990. Yeasts: Characteristics and identification. Cambridge University
Press: 683–684.
Barowicz T. Dro¿d¿e w ¿ywieniu zwierz¹t. «http://www.wrp.pl/index.php?nr=14&id=1834».
Barth G., Gaillardin C. 1997. Physiology and genetics of the dimorphic fungus Yarrowia lipolytica. FEMS
Microbiology Rev. 19: 219–237.
B³a¿ejak S., Duszkiewicz-Reinhard W., Gniewosz M., Rostkowska-Demner E., Domarad E. 2002. Badanie
zdolnoœci wi¹zania magnezu przez dro¿d¿e piwowarskie Saccharomyces cerevisiae w warunkach hodowli
stacjonarnej. Techno. Alimentaria 1(2): 55–69.
Carlton M.S., Veum T.L., Turk J.R. 205. Effects of yeast extract versus animal plasma in weaning pig diets on
growth and intestinal morphology. J. Swine Health Prod. 3(4): 204–209.
Community Register of feed additives pursuant to Regulation (EC) No 1831/2003, 38th ed.: publi. on 22 Dec. 2008.
Czajgucka A., Chrzanowska J., Juszczyk P., Szo³tysik M., Wojtatowicz M. 2003. Aktywnoœæ proteolityczna
szczepów dro¿d¿y pochodz¹cych z serów Rokpol. Acta Sci. Pol. Biotechnol. 2(1–2): 73–81.
Dobrzañski Z., Doliñska B., Chojnacka K., Opaliñski S., Ryszka F. 2006. Znaczenie dro¿d¿y w ¿ywieniu
zwierz¹t gospodarskich. Acta Sci. Pol. Medicina Vete. 5(2): 49–66.
Dyrektywa Unii Europejskiej 2003/30/EC z dnia 8 maja 2003 r.
Fernandes E.A.N., Nepomuceno N., Trevizam A.B., Amorim H.V. 1998. From potential to reality: Yeasts
derived from ethanol for animal nutrition. J. Radioanalyt. Nuclear Chem. 234 (1–2): 113–118.
Ferreira A., Viljoen B. 2003. Yeast as adjunct starters in Manfred Cheddar cheese. Int. J. of Food Microb. 86: 131–140.
Fisher L.J., Erfle J.D., Lodge G.A., Sauer F.D. 1973. Effects of propylene glycerol supplementation of the diet of
dairy cows on feed intake, milk yield and composition, and incidence of ketosis. Can. J. of Animal Sci. 53: 289–296.
Gardini F., Suzzi G., Lombardi A. 2001. A survey of yeasts in traditional sausages of southern Italy. FEMS Yeast
Res. 1: 161–167.
Iucci L., Patrignani F., Belletti N., Ndagijimana M., Guerzoni M., Gardini F., Lanciotti R. 2007. Role of
surface-inoculated Debaryomyces hansenii and Yarrowia lipolytica strains in dried fermented sausage
manufacture. Evaluation of their effect on sensory quality and biogenic amine content. Meat Sci. 75: 669–675.
Jurgens M.H., Rikabi R.A., Zimmerman D.R. 1997. The effect of dietary active dry yeast supplement on
performance of sows during gestation-lactation and their pigs. J. Anim. Sci. 75: 593–597.
Juszczyk P., Rymowicz W. 2005. Fodder yeast production from raw glycerol. Symposium on Recent
Applications in Bioprocess Engineering was sponsored by Fortum Foundation, Valio Ltd., Vanajan Korppu Oy
and Saarioinen Oy, Recent Applications in Bioprocess Engineering. Hameenlinna, Finland.
140
[17] Kijora C., Bergner H., Kupsch R.D., Hegemann L. 1995. Glycerin als Futterkomponente in der Schweinmast.
Archiv fur Tierernährung 47: 345–360.
[18] Korniewicz A., Dobrzañski Z., Ko³acz R., Korniewicz D. 2003. Bioavailability of zinc, selenium and chromium
from yeasts Saccharomyces cerevisiae for swine. Chem. Agric. 4: 171–181.
[19] Lemmers P., Honeyman M., Bregendahl K., Keer B., Weber T., Dozier W., Kidd M. 2007. Energy value of
crude glycerol fed to pigs. Research A.S. Leaflet R2225 Iowa State University Animal Industry Report.
[20] Liu G.J., Martin D.K., Gardner R.C., Ryan P.R., 2002. Large Mg2+ – dependent currents are associated with the
increased expression of ALRI in Saccharomyces cerevisiae. Microbiol. Letters 213(2): 231–237.
[21] Maribo H., Mikkelsen K.J. 2008. Glycerol til smagrise. Dansk Svineproduktion, 832, 2.
[22] Musia³ J., Juszczyk P., Rymowicz W., Kinal S. 2005. Produkcja dro¿d¿y paszowych Yarrowia lipolytica
wzbogaconych w selen i chrom. Acta Sci. Pol. Biotechnol. 4(1–2): 55–64.
[23] Po³omska X., Wojtatowicz M., ¯arowska B., Szo³tysik M., Chrzanowska J. 2007. Skrining pod³o¿y do
produkcji liofilizowanych szczepionek dro¿d¿owych dla serowarstwa. Acta Sci. Pol. Biotechnol. 6(3): 3–14.
[24] Ryszka F., Dobrzañski Z., Doliñska B. 2002. Optimization of the process of selenium, chromium and zinc
incorporation into yeasts Saccharomyces cerevisiae. Chem. Agric. 3: 234–239.
[25] Sinigaglia M., Lanciotti R., Guerzoni M.E. 1993. Biochemical and physiological characteristics of Yarrowia
lipolytica strains in relation to isolation source. Can. J. of Microb. 40: 54–59.
[26] Skomia³ J. 2001. ¯ywienie zwierz¹t i paszoznawstwo. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa, 3: 227 ss.
[27] Vogt A. 2004. Nowa technologia otrzymywania estrów etylowych wy¿szych kwasów t³uszczowych z t³uszczów roœlinnych i zwierzêcych – komponentów biopaliw i surowców oleochemicznych. Mat. Konf. Fakty
i mity o biopaliwach. Wroc³aw 17 listopada 2004, SNTIiTR NOT: 17–32.
[28] ZDL, Positivliste für Einzelfuttermittel, 7 Auflage, Normenkommission für Einzelfüttermittel im
Zentralausschuss der Deutschen Landwirtschaft, 2008.
Utilization of glycerol and yeast biomass produced
from glycerol in the animal nutrition
Key words: raw glycerol, fodder yeast, Yarrowia lipolytica, biomass
Summary
The possibility of utilization in animal nutrition of glycerol, by-product at
biodiesel production, is reviewed in the paper. In the nearest future about 1 milion ton
of glycerol will be produced in Europe. Pure glycerol may be added, in limited
amounts, directly into animal feeds, or it may be processed into biomass by using
Yarrowia lipolytica yeast. Yarrowia lipolytica biomass produced from glycerol contains the protein of balanced amino acid composition, vitamins and minerals. Moreover, it can be enriched in some most important microelements. The alternative way of
utilizing wastes arised after biodiesel production not only is important for environment protection issues but may also supply a valuable fodder for animals.
Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw
zbo¿owych o wielkoœci 8–16 ESU
Marek Zieliñski
Zak³ad Ekonomiki Gospodarstw Rolnych
Instytut Ekonomiki Rolnictwa i Gospodarki ¯ywnoœciowej–Pañstwowy Instytut Badawczy
ul. Œwiêtokrzyska 20, 00-002 Warszawa
email: [email protected]
S³owa kluczowe: gospodarstwo zbo¿owe, efektywnoœæ techniczna,
efektywnoœæ ekonomiczna, DEA
Wstêp
W Polsce funkcjonuje niespe³na 37,5 tys. gospodarstw zbo¿owych o wielkoœci
ekonomicznej powy¿ej 2 ESU (European Size Unit – Europejska Jednostka Wielkoœci). Blisko 15,3% tej liczby stanowi¹ gospodarstwa o wielkoœci ekonomicznej
8–16 ESU. Powszechnie uznaje siê, ¿e gospodarstwa tej grupy z regu³y cechuje
zbli¿ona do parytetowej op³ata pracy w³asnej oraz zdolnoœæ akumulowania œrodków,
co informuje o ich bie¿¹cej zdolnoœci konkurencyjnej oraz mo¿liwoœci przysz³ego
trwania [1].
Czêsto uznaje siê, ¿e specjalizacja produkcji umo¿liwia racjonaln¹ eksploatacjê
posiadanego parku maszynowego, efektywne wykorzystanie infrastruktury produkcyjnej oraz sprawne zarz¹dzanie, sk¹din¹d mo¿liwe coraz czêœciej przy u¿yciu
specjalistycznego oprogramowania komputerowego, to w rzeczywistoœci tylko niewielka czeœæ gospodarstw dzia³a w pe³ni efektywnie [5]. Przyczyn tego stanu rzeczy
jest wiele, a wœród nich nale¿y wyró¿niæ trudnoœci z optymalnym wykorzystaniem
posiadanych zasobów œrodków trwa³ych, ponoszenie nieuzasadnionych kosztów
pracy oraz dodatkowe nak³ady obrotowych œrodków produkcji, a tak¿e niekorzystne
przyrodnicze warunki gospodarowania. Gospodarstwa maj¹ jednak mo¿liwoœci
zwiêkszania swojej efektywnoœci. Wiele tu zale¿y od posiadanej techniki wytwórczej, stosowanych technologii, marketingu oraz organizacji produkcji, jak i od w³aœciwej wielkoœci oraz struktury nak³adów, które warunkuj¹ uzyskanie optymalnego
rozmiaru produkcji [4]. Niestety pomiar efektywnoœci technicznej gospodarstw,
o którym mowa stanowi tylko warunek konieczny, ale czêsto niewystarczaj¹cy
w bli¿szej ocenie efektywnoœci ich funkcjonowania [3]. St¹d przedmiotem tego
142
M. Zieliñski
opracowania jest ocena nie tylko efektywnoœci technicznej gospodarstw, ale równie¿
ich efektywnoœci ekonomicznej.
W opracowaniu podjêto próbê okreœlenia przyczyn dysproporcji w efektywnoœci
realizowania procesu rolniczego w grupie gospodarstw zbo¿owych o wielkoœci ekonomicznej 8–16 ESU i prowadz¹cych rachunkowoœæ roln¹ w 2007 roku. Dla osi¹gniêcia
zamierzonego celu przedstawiono sytuacjê ekonomiczn¹ i efektywnoœæ wykorzystania
posiadanych zasobów w gospodarstwach uznanych za efektywne technicznie, na tle
gospodarstw pozosta³ych. Charakterystyka pozosta³ych, wybranych ich cech jest oparta
na wskaŸniku efektywnoœci technicznej (Variable Return to Scale) ustalonym metod¹
nieparametryczn¹ – Data Envelopment Analysis (DEA).
Metoda badañ
Z danych Polskiego FADN wyodrêbniono grupê 235 gospodarstw zbo¿owych
prowadz¹cych rachunkowoœæ roln¹ w 2007 roku. Nastêpnie grupê tê podzielono
pocz¹tkowo na dwie (wariant I), a nastêpnie na trzy (wariant II) podgrupy, w zale¿noœci od wskaŸnika efektywnoœci technicznej ustalonego metod¹ DEA. W wariancie I
za gospodarstwa efektywne uznano te, których wskaŸnik efektywnoœci technicznej
by³ równy 1, natomiast wszystkie pozosta³e uznano za nieefektywne. W wariancie II
pierwsz¹ podgrupê stanowi³o 13,2% gospodarstw efektywnych, zwanych dalej wzorcowymi, o wielkoœci wskaŸnika efektywnoœci technicznej wiêkszej b¹dŸ równej
95,0% (31 gospodarstw), drug¹ – 73,6% (173) gospodarstw problemowych o wielkoœci tego wskaŸnika w granicach 95,0–64,0%. Natomiast trzecia podgrupa (31) to
pozosta³e 13,2% gospodarstw zagro¿onych, o wskaŸniku efektywnoœci technicznej
wynosz¹cym poni¿ej 64,0%. Przeciêtna wielkoœæ wskaŸnika efektywnoœci technicznej w pierwszej podgrupie wynios³a 99,5, w drugiej 79,0, a w trzeciej 56,9%.
Nastêpnie dokonano porównañ charakterystyk obydwu wariantów. Zauwa¿ono,
¿e ró¿nice, jakie ukaza³y siê w wyniku porównañ, by³y zbli¿one zarówno pod
wzglêdem rozmiaru jak i kierunku zmian, co zdecydowa³o o wykorzystaniu do
dalszych analiz tylko jednego, w tym wypadku wariantu II.
Wykorzystany wskaŸnik efektywnoœci technicznej zdefiniowano w postaci wzoru:
s
efktywnoœæ
m r efekt r
r 1
m
vi nak³ad i
i=1
Gdzie: s – liczba efektów,
m – liczba nak³adów,
mr – wagi okreœlaj¹ce wa¿noœæ poszczególnych efektów,
vi – wagi okreœlaj¹ce wa¿noœæ poszczególnych nak³adów.
Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych …
143
Jako kategoriê efektu do konstrukcji modelu przyjêto wartoœæ produkcji ogó³em
powiêkszon¹ o dop³aty i subwencje bud¿etowe [PLN], natomiast w kategoriach
nak³adów: pracê w³asn¹ i obc¹, wyra¿on¹ jako koszt pracy w³asnej i wynagrodzeñ
[PLN], powierzchniê u¿ytków rolnych [ha], nak³ady aktywów trwa³ych wyra¿one
poprzez amortyzacjê [PLN], oraz koszty ogó³em pomniejszone o amortyzacjê i wynagrodzenia [PLN]. W celu ustalenia stawek op³aty pracy w³asnej [PLN na 1godz.]
w gospodarstwach rolnych wykorzystano dane liczbowe opracowane przez Józwiaka
i in. [2] dotycz¹ce lat 2004–2006, a tak¿e prognozy wartoœci tej¿e op³aty dla 2007 roku
wyznaczone metod¹ statystycznej ekstrapolacji danych.
Nastêpnie w celu oceny funkcjonowania gospodarstw pierwszej, drugiej i trzeciej
podgrupy, wydzielonej w zale¿noœci od wielkoœci wskaŸnika efektywnoœci technicznej, analizie poddano:
l Nak³ady pracy ogó³em okreœlone w AWU (Annual Work Unit), jednostkach
przeliczeniowych pracy, przy czym 1 AWU = 2200 godzin pracy rocznie, a udzia³
pracowników najemnych [%] ustalono jako relacjê nak³adów pracy najemnej do
nak³adów pracy ogó³em.
l Zasoby ziemi okreœlone jako ca³kowity obszar ziemi u¿ytkowanej rolniczo,
uwzglêdniaj¹cy ziemiê w³asn¹ oraz dzier¿awion¹ na rok lub d³u¿ej oraz ziemiê
u¿ytkowan¹ na zasadzie udzia³u w zbiorze z w³aœcicielem; powierzchniê okreœlono w hektarach fizycznych. Udzia³ gruntów dzier¿awionych [%] ustalono jako
relacjê zasobów ziemi dzier¿awionej i ogó³em.
l Œredni¹ wartoœæ kapita³u okreœlono jako œredni¹ arytmetyczn¹ wartoœci kapita³u
na koniec roku obrachunkowego i wartoœci kapita³u na pocz¹tek roku obrachunkowego. Na wartoœæ kapita³u sk³ada³a siê wartoœæ: zwierz¹t, upraw trwa³ych,
urz¹dzeñ melioracyjnych, budynków, maszyn i urz¹dzeñ oraz kapita³u obrotowego. Miernik ten nie uwzglêdnia wartoœci ziemi bêd¹cej w dyspozycji w³aœciciela gospodarstwa rolnego.
l WskaŸnik bonitacji gleby.
l Udzia³ gospodarstw le¿¹cych na obszarach o niekorzystnych warunkach gospodarowania (ONW),
–1
l Wyniki produkcyjne wyra¿one poziomem plonowania pszenicy [t · ha ],
l Techniczne uzbrojenie (wyposa¿enie) pracy mierzone jako relacja œredniej wartoœci kapita³u do nak³adów pracy ogó³em wyra¿onych w AWU.
l Wartoœæ produkcji ogó³em i jej strukturê. Uwzglêdnia ona wartoœæ produkcji
roœlinnej, zwierzêcej i pozosta³ej. Obejmuje: sprzeda¿, przekazania do gospodarstwa domowego, zu¿ycie na potrzeby gospodarstwa rolnego, ró¿nicê stanu zapasów, ró¿nicê wartoœci zwierz¹t wywo³an¹ zmian¹ cen, a pomniejszon¹ o zakup
zwierz¹t.
l Produktywnoœæ pracy liczon¹ wartoœci¹ produkcji ogó³em na osobê pe³nozatrudnion¹ [AWU].
l Produktywnoœæ ziemi liczon¹ wartoœci¹ produkcji ogó³em na 1 ha u¿ytków
rolnych.
144
l
l
l
l
l
l
l
M. Zieliñski
Produktywnoœæ kapita³u liczon¹ wartoœci¹ produkcji ogó³em na 1 PLN œredniej
wartoœci kapita³u.
Stopieñ towarowoœci zmierzony relacj¹ wartoœci produkcji sprzedanej do wartoœci
produkcji ogó³em.
Produktywnoœæ kosztów bezpoœrednich okreœlon¹ jako stosunek wartoœci produkcji sprzedanej do kosztów bezpoœrednich pochodz¹cych z zakupu.
Strukturê kosztów ogólnogospodarczych, które obejmuj¹ koszty utrzymania maszyn i budynków, energii, us³ug oraz pozosta³e.
WskaŸnik zwi¹zania aktywów mierzony relacj¹ wartoœci aktywów obrotowych do
aktywów trwa³ych.
Stopê inwestowania okreœlon¹ jako relacjê inwestycji brutto do wartoœci umorzenia œrodków trwa³ych (amortyzacji).
Stopieñ zad³u¿enia gospodarstw wyznaczony jako relacja wartoœci kapita³u obcego (zawieraj¹cego pozostaj¹ce do sp³aty zobowi¹zania d³ugo-, œrednio- i krótkoterminowe) wed³ug stanu na koniec roku obrachunkowego do wartoœci kapita³u
w³asnego.
Statystyczn¹ istotnoœæ ró¿nic wyników porównywanych podgrup gospodarstw
rolnych stwierdzono testem istotnoœci ró¿nicy dwóch œrednich na poziomie istotnoœci
a = 0,15 i przy 202 stopniach swobody.
Charakterystyka cech efektywnych i nieefektywnych
gospodarstw zbo¿owych o wielkoœci ekonomicznej 8–16 ESU
Analizuj¹c kondycjê ekonomiczn¹ wyró¿nionych podgrup gospodarstw zbo¿owych, na wstêpie zestawiono ich mo¿liwoœci produkcyjne (tab. 1). W tym celu
poddano ocenie zasoby i nak³ady najbardziej charakterystyczne dla gospodarstwa
rolnego. Zasoby u¿ytków rolnych w badanych podgrupach nie by³y zbli¿one. Œrednia
powierzchnia u¿ytków rolnych wœród gospodarstw wzorcowych wynios³a bowiem
44,5, w problemowych 46,1, a w zagro¿onych 56,2 ha. Dzia³alnoœæ gospodarstw
z wszystkich podgrup realizowana by³a nie tylko na gruntach w³asnych. Udzia³ ziemi
dzier¿awionej w gospodarstwach wzorcowych wyniós³ 38,2, w problemowych 33,4,
a w zagro¿onych 35,5%. Pod wzglêdem jakoœci bonitacyjnej gleb przewagê mia³y
równie¿ gospodarstwa najbardziej efektywne. WskaŸnik bonitacji gleb w tej podgrupie wynosi³ 1,17 i by³ wiêkszy od wskaŸnika bonitacyjnego gleb gospodarstw
problemowych i zagro¿onych odpowiednio o 19,4 i 31,4%. Relacje te znajdowa³y
potwierdzenie w udziale gospodarstw le¿¹cych na obszarach o niekorzystnych warunkach gospodarowania (ONW). Gospodarstwa wzorcowe mia³y ich 25,8, problemowe 29,5, zagro¿one zaœ 48,3%. Domniemywaæ mo¿na, ¿e gospodarstwa problemowe i zagro¿one byæ mo¿e próbowa³y rekompensowaæ gorsze warunki przyrodnicze wiêksz¹ powierzchni¹ u¿ytkowanych gruntów.
145
Na funkcjonowanie gospodarstwa rolnego istotny wp³yw mia³y nak³ady pracy.
Nak³ady pracy w gospodarstwach wzorcowych kszta³towa³y siê na ni¿szym o 10%
poziomie ani¿eli w gospodarstwach problemowych i o 35,7% ni¿ w zagro¿onych.
W dzia³alnoœci gospodarczej jednych, drugich i trzecich wykorzystywano przede
wszystkim pracê w³asn¹ kierownika i cz³onków jego rodziny. Niemniej jednak udzia³
pracy najemnej by³ zauwa¿alny. W gospodarstwach wzorcowych wyniós³ on 11,5,
w problemowych 4,1, a w zagro¿onych 5,8%.
Poza ziemi¹ i nak³adami pracy potencja³ produkcyjny gospodarstwa stanowi
równie¿ œrednia wartoœæ kapita³u. Œrednia wartoœæ kapita³u w gospodarstwach wzorcowych wynios³a 321,5 tys. PLN i tym razem by³a ona mniejsza ani¿eli w gospodarstwach problemowych i zagro¿onych odpowiednio o 10 i 13,6%.
Tabela 1. Nak³ady pracy, zasoby ziemi i kapita³u oraz przyrodnicze warunki gospodarowania
w porównywanych podgrupach gospodarstw o wielkoœci 8–16 ESU iprowadz¹cych w 2007
roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Wyszczególnienie
Gospodarstwa
wzorcowe
Zasoby ziemi [ha]
44,5
w tym grunty dzier¿awione [%]
38,2
Nak³ady pracy [AWU]
1,26
w tym praca najemna [%]
11,5
Œrednia wartoœæ kapita³u [tys. PLN]
321,5
w tym kapita³ obcy [%]
27,1
WskaŸnik bonitacji gleby
1,17
Udzia³ gospodarstw na obszarach o niekorzystnych 25,8
warunkach gospodarowania (ONW) [%]
problemowe
46,1
33,4
1,40
4,1
357,1
20,1
0,98
29,5
zagro¿one
56,2
35,5
1,96
5,8
372,4
24,0
0,89
48,3
ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN.
Jeszcze wyraŸniej, ale zgodnie z oczekiwaniami, uwidoczni³y siê ró¿nice w technicznym uzbrojeniu pracy, którego zadaniem jest wspomaganie procesu produkcyjnego. Stopieñ technicznego uzbrojenia pracy jest efektywn¹ substytucj¹ nak³adów
pracy kierownika i cz³onków jego rodziny (rys. 1). Najlepsze techniczne uzbrojenie
pracy mia³y gospodarstwa wzorcowe (255 tys. PLN), natomiast najmniejsze – zagro¿one (190 tys. PLN). Sytuacja tych ostatnich mo¿e dziwiæ, poniewa¿ maj¹c najwiêksz¹ œredni¹ wartoœæ kapita³u równoczeœnie ponosi³y one najwiêksze nak³ady
pracy. Domniemywaæ mo¿na, ¿e ten stan rzeczy by³ najprawdopodobniej wynikiem
z³ej organizacji produkcji gospodarstw.
Gorsze warunki gospodarowania w przypadku gospodarstw problemowych i zagro¿onych znalaz³y swoje odbicie w ni¿szych plonach pszenicy (rys. 2). Dostrze¿ono
np., ¿e najs³abiej w tej kwestii wypad³y gospodarstwa zagro¿one (3,86 t · ha–1).
Natomiast zauwa¿alnie wiêkszy plon w tym przypadku uzyska³y gospodarstwa
problemowe (4,54 t · ha–1) i wzorcowe (5,03 t · ha–1).
Dziêki korzystniejszym wynikom produkcyjnym, gospodarstwa wzorcowe zrealizowa³y w 2007 roku odpowiednio o 20,7 i 32,8% wiêksz¹ wartoœæ produkcji
146
M. Zieliñski
Rysunek 1. Techniczne uzbrojenie pracy w porównywanych podgrupach gospodarstw o wielkoœci 8–16 ESU i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Rysunek 2. Plon pszenicy w porównywanych podgrupach gospodarstw owielkoœci 8–16 ESU
i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN
ogó³em od gospodarstw problemowych i zagro¿onych. Wartoœæ produkcji w gospodarstwach najlepszych wynios³a 157,1 tys. PLN, w pozosta³ych podgrupach natomiast odpowiednio 130,3 i 118,3 tys. PLN.
Z analizy struktur gospodarstw trzech analizowanych podgrup wynika, ¿e we
wszystkich przypadkach, zgodnie z przewidywaniami, dominowa³a produkcja zbó¿
(tab. 2). Mimo to w gospodarstwach wzorcowych ich udzia³ by³ o 1,0 p.p. ni¿szy ni¿
w gospodarstwach problemowych i identyczny jak w zagro¿onych. Natomiast w gospodarstwach zagro¿onych mniejszy by³ udzia³ roœlin oleistych ani¿eli w gospodarstwach efektywnych i problemowych, odpowiednio o 2,4 i 0,5 p.p. Produkcja
zwierzêca, ogólnie niewielka, wiêksze znaczenie mia³a w gospodarstwach problemowych (3,1%) i zagro¿onych (3,5%), natomiast œladowe we wzorcowych (0,4%).
Produkcja pozosta³a kszta³towa³a siê na niskim poziomie i we wszystkich analizowanych przypadkach nie przekroczy³a 1,4%. Ponadto w obydwu podgrupach gospodarstw nieefektywnych, i to przede wszystkim tych zagro¿onych, w udziale wartoœci
produkcji ogó³em zauwa¿alne znaczenie mia³o zu¿ycie wewnêtrzne (7,0%). By³o ono
wiêksze ni¿ np. w gospodarstwach wzorcowych o 5,2 p.p. Œwiadczy to prawdo-
147
podobnie o tym, ¿e w gospodarstwach owych wiêksza wartoœæ produktów roœlinnych
zosta³a wytworzona i zu¿yta w ramach dzia³alnoœci operacyjnej, np. w postaci pasz
dla utrzymywanych zwierz¹t, nasion i sadzeniaków.
Tabela 2. Struktura wartoœci produkcji w porównywanych podgrupach gospodarstw o wielkoœci 8–16 ESU i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Struktura wartoœci produkcji
Zbo¿a [%]
Roœliny oleiste [%]
Pozosta³e uprawy roœlinne1 [%]
Produkcja zwierzêca [%]
Produkcja pozosta³a [%]
Przekazanie do gospodarstwa domowego [%]
Zu¿ycie wewnêtrzne [%]
Razem [%]
Gospodarstwa
wzorcowe
68,6
15,9
11,0
0,4
1,3
1,0
1,8
100
problemowe
69,6
14,0
6,8
3,1
1,1
0,5
4,9
100
zagro¿one
68,6
13,5
5,2
3,5
1,4
0,8
7,0
100
1
Roœliny bia³kowe, energetyczne, ziemniaki, buraki cukrowe, przemys³owe i uprawy pastewne.
Oceniaj¹c produktywnoœæ trzech podstawowych czynników wytwórczych zauwa¿ono, ¿e wydajnoœæ pracy liczona wartoœci¹ produkcji ogó³em na osobê pe³nozatrudnion¹ (AWU) by³a odpowiednio o 33,9 i 103,4% wiêksza w gospodarstwach
wzorcowych ni¿ problemowych i zagro¿onych. Nie inaczej by³o w przypadku produktywnoœci kapita³u. W tym przypadku gospodarstwa efektywne mia³y j¹ wiêksz¹
ani¿eli gospodarstwa problemowe i zagro¿one odpowiednio o 33,7 i 43,4 p.p.
Zauwa¿alne ró¿nice na korzyœæ gospodarstw efektywnych uwidoczni³y siê równie¿
w przypadku produktywnoœci ziemi. Gospodarstwa efektywne mia³y j¹ odpowiednio
o 24,8 i 67,7% wiêksz¹ ni¿ problemowe i zagro¿one (tab. 3).
Tabela 3. Produktywnoœæ pracy, ziemi i kapita³u w porównywanych podgrupach gospodarstw
o wielkoœci 8–16 ESU i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Wartoœæ produkcji ogó³em
Na osobê pe³nozatrudnion¹ [tys. PLN · AWU–1]
Na 1 ha u¿ytków rolnych [tys. PLN · ha–1]
Na 1 PLN œredniej wartoœci kapita³u
Gospodarstwa
wzorcowe
124,7
3,5
0,488
problemowe
93,1
2,8
0,365
zagro¿one
61,3
2,1
0,318
Gospodarstwa efektywne, to gospodarstwa niemal¿e w ca³oœci nastawione na
produkcjê towarow¹, o czym œwiadczy 97,1% udzia³ wartoœci produkcji sprzedanej
w produkcji ogó³em (tab. 4). Natomiast w gospodarstwach bêd¹cych punktem odniesienia udzia³ ten by³ mniejszy, aczkolwiek nieznacznie, i wyniós³ w gospodarstwach
problemowych i zagro¿onych odpowiednio 94,2 i 92,0%. Powy¿sze oznaczaæ mo¿e,
148
M. Zieliñski
¿e bardziej efektywne w ich przypadku by³oby wiêksze skoncentrowanie siê na
produkcji towarowej.
W gospodarstwach wzorcowych odnotowano ponadto wiêksz¹ w stosunku do
gospodarstw problemowych i zagro¿onych produktywnoœæ kosztów bezpoœrednich
pochodz¹cych z zakupu. Wydajnoœæ tych nak³adów w wartoœci produkcji sprzedanej
wynios³a bowiem w gospodarstwach wzorcowych 424,9% i by³a wiêksza ni¿ w gospodarstwach problemowych o 62, a w zagro¿onych o 132,5 p.p. Oznacza to, ¿e
w gospodarstwach wzorcowych 1 z³ wydany na zakup œrodków produkcji generowa³
wartoœæ produkcji sprzedanej w kwocie blisko 4,3 z³, podczas gdy w gospodarstwach
problemowych i zagro¿onych odpowiednio 3,62 i 2,92 PLN.
Tabela 4. Towarowoœæ produkcji i produktywnoœæ kosztów bezpoœrednich pochodz¹cych
z zakupu w porównywanych podgrupach gospodarstw o wielkoœci 8–16 ESU iprowadz¹cych
w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Wartoœæ produkcji sprzedanej
Gospodarstwa
wzorcowe problemowe zagro¿one
Do wartoœci produkcji ogó³em [%]
97,1
94,5
92,0
Do wartoœci kosztów bezpoœrednich pochodz¹cych z zakupu [%] 424,9
362,9
292,4
Tabela 5. Struktura kosztów ogólnogospodarczych w porównywanych podgrupach gospodarstw o wielkoœci 8–16 ESU i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Struktura kosztów ogólnogospodarczych [%]
Koszty utrzymania maszyn i urz¹dzeñ
Energia
Us³ugi
Pozosta³e
Gospodarstwa
wzorcowe
29,8
47,1
13,9
9,2
problemowe
28,4
50,1
10,1
11,4
zagro¿one
0,8
52,0
4,6
12,6
W tabeli 5 przedstawiono strukturê kosztów ogólnogospodarczych w jednej,
drugiej i trzeciej podgrupie gospodarstw. We wszystkich tych przypadkach najistotniejsz¹ pozycj¹ by³y koszty energii, nastêpnie utrzymania maszyn i urz¹dzeñ, us³ug
oraz pozosta³e. Niemniej jednak zauwa¿ono, ¿e w gospodarstwach wzorcowych
w porównaniu z problemowymi i zagro¿onymi wiêksze znaczenie mia³y np. us³ugi,
a mniejsze energia (paliwa silnikowe, oleje smarne, energia elektryczna, paliwa
grzewcze), odpowiednio o 3,8 i 9,3 p.p. Zapewne w³aœciciele tych gospodarstw za
korzystniejsze z punktu widzenia finansowego uznali nie wykonywanie czêœci zabiegów produkcyjnych w³asnym sprzêtem, a skorzystanie z us³ug. Trzeba pamiêtaæ, ¿e
gospodarstwa wzorcowe przyjmuj¹c tak¹ strategiê ograniczy³y nie tylko koszty
u¿ytkowania, które wynikaj¹ z bezpoœredniej pracy, ale równie¿ koszty utrzymania
w³asnych maszyn i urz¹dzeñ.
149
Wœród gospodarstw analizowanych podgrup wiêcej w maj¹tek trwa³y inwestowa³y gospodarstwa efektywne. WskaŸnik relacji inwestycji brutto do amortyzacji
w ich przypadku wyniós³ bowiem 364,7%, podczas gdy w gospodarstwach problemowych 133,8%, a w zagro¿onych 106,6% (tab. 6). Na uwagê zas³uguje równie¿ fakt,
¿e gospodarstwa wzorcowe lepiej wykorzystywa³y aktywa trwa³e. Œwiadczy o tym
korzystniejszy poziom wskaŸnika zwi¹zania aktywów.
Zdecydowana wiêkszoœæ aktywów znajduj¹ca siê w posiadaniu wszystkich trzech
podgrup gospodarstw w podstawowym stopniu finansowana by³a kapita³em w³asnym. Niemniej jednak udzia³ kapita³u obcego w kapitale w³asnym by³ zauwa¿alny
zarówno w gospodarstwach wzorcowych, problemowych, jak i zagro¿onych, wynosz¹c odpowiednio: 21,5, 16,8 i 21,9%.
Tabela 6. Charakterystyki wybranych cech porównywanych podgrup gospodarstw owielkoœci
8–16 ESU i prowadz¹cych w 2007 roku rachunkowoœæ dla Polskiego FADN
Wyszczególnienie
Stopa inwestowania [%]
Zad³u¿enie [%]
WskaŸnik zwi¹zania aktywów [%]
Gospodarstwa
wzorcowe
364,7
21,5
23,1
problemowe
133,8
16,8
21,4
zagro¿one
106,6
21,9
19,3
Wnioski
Potrzeba przeprowadzenia analizy wynika³a z zamiaru oceny sytuacji ekonomicznej i efektywnoœci wykorzystania posiadanych zasobów w trzech umownie wydzielonych (ze wzglêdu na wielkoœæ wskaŸnika efektywnoœci technicznej) podgrupach gospodarstw zbo¿owych o wielkoœci ekonomicznej 8–16 ESU, które prowadzi³y w 2007 roku rachunkowoœæ roln¹ dla Polskiego FADN. Pierwsz¹ podgrupê
stanowi³y gospodarstwa wzorcowe ze wskaŸnikiem na poziomie wiêkszym b¹dŸ
równym 95%, drug¹ gospodarstwa problemowe o wielkoœci wskaŸnika 95–64%,
a trzeci¹ pozosta³e gospodarstwa zagro¿one o wielkoœci wskaŸnika poni¿ej 64%.
Przes³ankê do tego typu analizy stanowi³o przekonanie autora, ¿e wiêcej informacji
o efektywnoœci funkcjonowania tych gospodarstw mo¿na uzyskaæ, gdy z poziomu ich
ogólnej efektywnoœci ekonomicznej przejdzie siê na poziom techniczny. Jak wiadomo ustalenie samej efektywnoœci technicznej za pomoc¹ np. metody DEA nie wyra¿a
szczegó³owo ani potencja³u produkcyjnego, efektywnoœci poszczególnych czynników produkcji, ani te¿ aktywnoœci inwestycyjnej gospodarstw.
Wyniki tych badañ pozwoli³y sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski:
l Gospodarstwa wzorcowe to gospodarstwa, które na tle ca³ej badanej zbiorowoœci
w sposób najbardziej optymalny wykorzystywa³y zasoby maj¹tku trwa³ego, w sposób przemyœlany ponosi³y koszty pracy i obrotowych œrodków produkcji. Charakte-
150
l
l
M. Zieliñski
ryzowa³y siê najmniejszymi nak³adami pracy oraz mia³y najmniejszy obszar u¿ytków rolnych i kapita³, ale najlepsze techniczne uzbrojenie pracy. By³y to gospodarstwa nastawione na produkcjê roln¹ zdominowan¹ przez produkcjê zbó¿, z istotnym
udzia³em roœlin oleistych i z dobrymi glebami. Gospodarstwa te trafnie dopasowywa³y siê do wymagañ rynku, na co wskazuje wysoki wskaŸnik towarowoœci
produkcji. Dysponowa³y ma³o zu¿ytymi œrodkami trwa³ymi, które nadal intensywnie unowoczeœnia³y. Niemniej jednak na du¿¹ skalê korzysta³y one równie¿ z us³ug.
Gospodarstwa problemowe to gospodarstwa, w których wystêpuje niepokoj¹ca
niegospodarnoœæ ponoszonych w procesie produkcji nak³adów. Spodziewaæ siê tu
mo¿na by³o bowiem od 5 do 36% mniejszych ponoszonych nak³adów od tych,
które mia³y miejsce w rzeczywistoœci. Jednak gospodarstwa te w porównaniu
z gospodarstwami wzorcowymi ponosi³y wiêksze nak³ady pracy ogó³em, z mniejszym udzia³em pracy donajêtej, mia³y wiêksz¹ powierzchniê u¿ytków rolnych
i kapita³. Mia³y poza tym s³absze techniczne uzbrojenie pracy. Niedostateczny
poziom jakoœci pracy zarz¹dczej oraz wiedzy w zakresie technologii produkcji
rolniczej kierowników i gorsze warunki przyrodnicze wp³ywa³y w ich przypadku
na s³absze wyniki produkcyjne, a wiêc równie¿ na mniejsze wydajnoœci poszczególnych czynników produkcji. Gorzej dopasowywa³y siê równie¿ do wymagañ
rynku, na co wskazuje ni¿szy wskaŸnik towarowoœci produkcji. Gospodarstwa te
owszem inwestowa³y, ale skala inwestycji by³a znacz¹co mniejsza ani¿eli gospodarstw wzorcowych.
Gospodarstwa zagro¿one, to gospodarstwa najmniej efektywne w zestawieniu.
W gospodarstwach tych nieefektywnie wykorzystywane nak³ady pracy, ziemi,
aktywów trwa³ych powinny byæ proporcjonalnie zredukowane co najmniej o 37%
bez wp³ywu na poziom uzyskiwanej wartoœci produkcji. Gospodarstwa te w porównaniu z pozosta³ymi dwoma podgrupami mia³y najwiêksze zatrudnienie,
zasoby ziemi i kapita³u. Natomiast techniczne uzbrojenie pracy – najs³absze. Jest
prawdopodobne, ¿e niezadowalaj¹ca jakoœæ gleb oraz blisko 50-procentowy udzia³
gospodarstw tej podgrupy po³o¿ony na terenach o gorszych warunkach gospodarowania ograniczy³y znacz¹co dobór optymalnej struktury produkcji, a wiêc i zapewne poziom wykorzystania posiadanych zasobów produkcyjnych. Gospodarstwa te maj¹ trudnoœci z kontaktowaniem siê z rynkiem, na co wskazuje ich ni¿szy
ani¿eli w pozosta³ych dwóch podgrupach wskaŸnik towarowoœci produkcji. Gospodarstwa te inwestowa³y, ale by³y to zazwyczaj tylko drobne i niezbêdne z punktu
widzenia procesu produkcyjnego inwestycje.
Literatura
[1]
Józwiak W. 2009. Sytuacja ekonomiczna nie wyspecjalizowanych towarowych polskich gospodarstw rolnych
w 2013 roku. W: opracowaniu zbiorowym pod kier. A. Kowalskiego pt. Analiza produkcyjno-ekonomicznej
sytuacji rolnictwa i gospodarki ¿ywnoœciowej w 2008 roku. IERiG¯–PIB, Warszawa: 214–221.
[2]
Józwiak W., JuŸwiak J., Zieliñski M. 2007. Warunki gospodarowania i struktura dochodów a rentownoœæ
kapita³u w³asnego gospodarstwa rolnego, Post. Nauk Rol. 6: 97–106.
[3]
[4]
[5]
151
Kulawik J. 2010. Relacje miêdzy efektywnoœci¹ techniczn¹ a efektywnoœci¹ finansow¹ i organizacyjn¹. W:
Sytuacja ekonomiczna, efektywnoœæ finansowa i techniczna gospodarstw powsta³ych w oparciu o mienie
by³ych pañstwowych przedsiêbiorstw gospodarki rolnej. J. Kulawik (red.) , IERiG¯–PIB, Warszawa: 217–238.
Rusielik R., Prochorowicz J. 2007. Porównanie efektywnoœci skali produkcji mleka w wybranych gospodarstwach Europy w 2005 roku. Roczn. Nauk Rol. Seria G, 94(1): 29–34.
Zieliñski M. 2009. Optymalizacja decyzji inwestycyjnych w gospodarstwie zbo¿owym. Journal of Agribusiness and Rural Development 12(2): 295–301.
Functional efficiency of the cereal farms
with economic size from 8 to 16 ESU
Key words: cereal farm, technical efficiency, economical efficiency, DEA
Summary
The set of measures and indicators of economic as well as technical and productive nature was obtained. They enable to determine the factors causing differentiation
in the efficiency of cereal farms with 8–16 ESU. The study contains results calculated
on the basis of accountancy data from farms included into FADN field of observation.
Establishing the level of efficiency used the Variable Return to Scale (VRS) indicator
on the basis of Data Envelopment Analysis (DEA).
† Prof. dr habil. dhc. multi. Dieter Spaar,
cz³onek zagraniczny PAN
(1933–2010)
W dniu 30 stycznia 2010 r. zmar³ w Berlinie wskutek choroby nowotworowej
prof. Dieter Spaar – zagraniczny cz³onek Polskiej Akademii Nauk w Wydziale V
Nauk Rolniczych, Leœnych i Weterynaryjnych, do której zosta³ wybrany w 1988 r.
w wieku 55 lat.
Profesor Spaar urodzi³ siê 21 wrzeœnia 1933 r. we wsi Salza niedaleko Nordhausen
(Turyngia), gdzie ukoñczy³ szkolê œredni¹ w 1952 r. Studia rozpocz¹³ na Uniwer-
154
J.J. Lipa
sytecie w Jenie, sk¹d – jako wyró¿niaj¹cy siê student – zosta³ skierowany w 1953 r. do
Wszechzwi¹zkowej Akademii Rolniczej (WASCHNIL) w Moskwie, któr¹ ukoñczy³
uzyskuj¹c stopieñ kandydata nauk na podstawie rozprawy pt. „Udoskonalenie i wykorzystanie analizy serologicznej w diagnostyce wirusowych chorób ziemniaka”.
Po powrocie do NRD w 1958 r. rozpocz¹³ pracê naukow¹ w znanym Instytucie
Ziemniaka w Gross Lüsewitz nale¿¹cym do Niemieckiej Akademii Nauk Rolniczych.
Tu rozwin¹³ bardzo nowoczesne badania w zakresie diagnostyki, klasyfikacji i zwalczania wirusów oraz fuzaryjnych grzybów ziemniaka i innych roœlin uprawnych.
W latach 1970–1977 by³ dyrektorem Instytutu Fitopatologii Akademii Nauk Rolniczych NRD w Aschersleben, a du¿a aktywnoœæ naukowa i zdolnoœci organizacyjne
sprawi³y, ¿e w 1987 r. zosta³ wybrany Prezydentem Akademii Nauk Rolniczych NRD
i pozosta³ na tym stanowisku do czasu zmian ustrojowych w Niemczech.
Jako cz³onek zagraniczny PAN prof. Spaar utrzymywa³ bardzo bliskie kontakty
z polskim œrodowiskiem specjalistów nauk rolniczych i wielokrotnie uczestniczy³
w Sesjach Naukowych Instytutu Ochrony Roœlin w Poznaniu. Niejednokrotnie zaprasza³ polskich specjalistów do udzia³u w konferencjach oraz jako wspó³autorów
w wydawnictwach ksi¹¿kowych w Niemczech, a zw³aszcza do wspó³autorstwa
kompendiów pomocnych przy rozpoznawaniu i zwalczaniu agrofagów.
Jako redaktor oraz wspó³autor w latach 2004–2006 prof. Spaar zainicjowa³
opracowanie i wydanie drukiem w jêzyku rosyjskim czterotomowej serii pt. „Ochrona Roœlin w Integrowanych Systemach Rolniczych” oraz dwutomowego wydawnictwa pt. „Ekologiczna Ochrona Roœlin w Warzywnictwie, Sadownictwie i Winnicach.”.
Opracowania te maj¹ bardzo pozytywny wp³yw na doskonalenie i unowoczeœnianie
programów ochrony roœlin w krajach Europy Œrodkowej i Wschodniej, a zw³aszcza
w krajach by³ego ZSRR.
Dobitnym wyrazem uznania dla osi¹gniêæ naukowo-organizacyjnych prof. Spaara
by³ wybór na cz³onka: Akademii Nauk NRD w 1987 r., WASCHNiL w 1987 r.,
Polskiej Akademii Nauk w 1988 r. oraz RASCHN w 1990 r. Natomiast uniwersytety
rolnicze w Moskwie, Berlinie i Miñsku nada³y prof. Spaarowi tytu³y „Doctor Honoris
Causa”.
Od 1972 r. do ostatnich dni ¿ycia prof. Spaar by³ redaktorem kwartalnika „Archives of Phytopathology and Plant Protection”, z którego uczyni³ czasopismo
o zasiêgu œwiatowym wydawanym obecnie przez znany angielski koncern Francis
and Taylor. W czasopiœmie tym publikuj¹ swe prace tak¿e polscy autorzy.
Koñcz¹c chcia³bym mocno podkreœliæ, ¿e Prof. Spaar by³ wybitnym uczonym
i zas³u¿onym organizatorem nauki oraz autorem i redaktorem wielu ksi¹¿ek i czasopism. By³ tak¿e uroczym i przyjacielskim Cz³owiekiem – którego zabra³a przedwczesna œmieræ – i takim zachowamy go w naszej pamiêci.
Jerzy J. Lipa
Instytut Ochrony Roœlin PIB
w Poznaniu
Spis treœci
A. Fiuk, A. Anio³ — Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych
w hodowli zbó¿ o zwiêkszonej tolerancyjnoœci na toksyczne dzia³anie
jonów glinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Buczkowska, M. Rochalska — Wykorzystanie allomonów roœlinnych do
ochrony plantacji roœlin uprawnych przed szkodliwymi owadami . . . . .
K. Machowina, W.K. Œwiêcicki — Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów . . .
M. Borzêcka-Walker — Zastosowanie oceny cyklu ¿ycia w badaniach
zwi¹zanych z produkcj¹ biomasy na cele energetyczne. . . . . . . . . . .
J. Buliñski, Z. Majewski — Zagadnienia ugniatania gleby w œwietle XVIII
konferencji Miêdzynarodowej Organizacji Badañ Uprawy Gleby (ISTRO)
w Turcji (15–19 VI 2009 r.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek — Przydatnoœæ istniej¹cych odmian
truskawki do upraw ekologicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
U. Wachowska — Charakterystyka fungicydów strobilurynowych
z uwzglêdnieniem problemu odpornoœci fitopatogenów . . . . . . . . . .
E. Cieœlik, A. Gêbusia — Topinambur (Helianthus tuberosus L.) – bulwa o
w³aœciwoœciach prozdrowotnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz — Negatywne skutki stosowania
antybiotyków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz — Probiotyki w ¿ywieniu
zwierz¹t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. WoŸnica, A. Czech — Zastosowanie glicerolu i produkowanej z niego
biomasy dro¿d¿owej w ¿ywieniu zwierz¹t . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Zieliñski — Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych
o wielkoœci 8–16 ESU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prof. dr habil. dhc. multi. Dieter Spaar, cz³onek zagraniczny PAN
(1933–2010) — J.J. Lipa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
19
33
49
57
69
77
91
105
119
133
141
153
Contents
A. Fiuk, A. Anio³ — Possibility of using molecular markers in breeding cereal
plants with increased tolerance to aluminium toxicity . . . . . . . . . . .
A. Buczkowska, M. Rochalska — Using of plant allomones to protection of
cultivated crops from harmful insects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
K. Machowina, W.K. Œwiêcicki — Alkaloids and their importance in
lupins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Borzêcka-Walker — Life cycle assessment application in biomass production for energy purposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Buliñski, Z. Majewski — Problems of soil compaction in the light of 18th
ISTRO Conference in Turkey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek — Suitability of existing strawberry
cultivars for organic cultivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
U. Wachowska — Characterization of the strobilurin fungicides in aspect of
phytopathogen resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E. Cieœlik, A. Gêbusia — Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.)
– tuber with pro-healthily nutritive properties . . . . . . . . . . . . . . .
J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz — Negative consequences of using the antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz — Probiotics in animal feeding .
A. WoŸnica, A. Czech — Utilization of glycerol and yeast biomass produced
from glycerol in the animal nutrition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Zieliñski — Functional efficiency of the cereal farms with economic size
from 8 to 16 ESU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prof. dr habil. dhc. multi. Dieter Spaar, Foreign Member of the PAS
(1933–2010) — J.J. Lipa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
19
33
49
57
69
77
91
105
119
133
141
153

from pan.pl - Instytucja PAN

Transkrypt

Podobne dokumenty