from pan.pl - Instytucja PAN
Transkrypt
from pan.pl - Instytucja PAN
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 Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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 Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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, Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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 Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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. Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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. Mo¿liwoœci wykorzystania znaczników molekularnych … 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 e-mail: [email protected] 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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- Wykorzystanie allomonów roœlinnych … 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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 Wykorzystanie allomonów roœlinnych … 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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- Wykorzystanie allomonów roœlinnych … 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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 Wykorzystanie allomonów roœlinnych … 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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. Wykorzystanie allomonów roœlinnych … 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 A. Buczkowska, M. Rochalska 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. Postêpy Nauk Rolniczych 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 e-mail: [email protected] 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, Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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 Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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 Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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. Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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] Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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. Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki 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. Alkaloidy i ich znaczenie u ³ubinów 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 K. Machowina, W.K. Œwiêcicki [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. Postêpy Nauk Rolniczych 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- Zastosowanie oceny cyklu ¿ycia … 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. Zastosowanie oceny cyklu ¿ycia … 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. Postêpy Nauk Rolniczych 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 J. Buliñski, Z. Majewski 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 Zagadnienia ugniatania gleby … 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 J. Buliñski, Z. Majewski 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 Zagadnienia ugniatania gleby … 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 J. Buliñski, Z. Majewski 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 Zagadnienia ugniatania gleby … 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 J. Buliñski, Z. Majewski 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. Zagadnienia ugniatania gleby … 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 J. Buliñski, Z. Majewski 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. Postêpy Nauk Rolniczych 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 e-mail: [email protected] 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 L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek 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]. Przydatnoœæ istniej¹cych odmian truskawki … 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 L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek 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. Przydatnoœæ istniej¹cych odmian truskawki … [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 L. Sas Paszt, E. ¯urawicz, S. G³uszek 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’. Postêpy Nauk Rolniczych 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 e-mail: [email protected] 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 Bayer CropScience AG – Niemcy Bayer CropScience AG – Niemcy 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 Bayer CropScience AG – Niemcy 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 Charakterystyka fungicydów strobilurynowych … 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 Charakterystyka fungicydów strobilurynowych … 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 Charakterystyka fungicydów strobilurynowych … 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. Charakterystyka fungicydów strobilurynowych … [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. Charakterystyka fungicydów strobilurynowych … 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. Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 91–103 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 e-mail: [email protected] 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 E. Cieœlik, A. Gêbusia 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- Topinambur (Helianthus tuberosus L.) … 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 E. Cieœlik, A. Gêbusia 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. Topinambur (Helianthus tuberosus L.) … 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 E. Cieœlik, A. Gêbusia 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- Topinambur (Helianthus tuberosus L.) … 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 E. Cieœlik, A. Gêbusia 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. Topinambur (Helianthus tuberosus L.) … 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 E. Cieœlik, A. Gêbusia [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. Topinambur (Helianthus tuberosus L.) … 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. Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 105–117 Negatywne skutki stosowania antybiotyków Joanna Biernasiak1, Katarzyna Œli¿ewska2, Zdzis³awa Libudzisz3 1 Instytut Chemicznej Technologii ¯ywnoœci, Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, 3 Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, 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 Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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]. Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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- Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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]. Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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. Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz [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. Antimicrob. Chemother. 40: 453–454. [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. Negatywne skutki stosowania antybiotyków 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. Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 119–132 Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t Joanna Biernasiak1, Katarzyna Œli¿ewska2, Zdzis³awa Libudzisz3 1 Instytut Chemicznej Technologii ¯ywnoœci, Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, 3 Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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: Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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 Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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 Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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 Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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. Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz [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. Antimicrob. Chemother. 53: 28–52. [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. Probiotyki w ¿ywieniu zwierz¹t 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 J. Biernasiak, K. Œli¿ewska, Z. Libudzisz 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. Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 133–140 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, e-mail: [email protected] 2 Katedra Biochemii i Toksykologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul Akademicka 13, 20-950 Lublin, e-mail: [email protected] 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. A. WoŸnica, A. Czech 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 Zastosowanie glicerolu … 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 A. WoŸnica, A. Czech 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]. Zastosowanie glicerolu … 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 A. WoŸnica, A. Czech [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. Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 141–151 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. Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych … 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 ród³o: opracowanie w³asne na podstawie 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- Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych … 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. ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN. 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 ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN. 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 ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN. 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 ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN. 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. Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych … 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 ród³o: opracowanie w³asne na podstawie Polskiego FADN. 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. Efektywnoœæ funkcjonowania gospodarstw zbo¿owych … [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). Postêpy Nauk Rolniczych nr 3/2010: 153–154 † 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