Агрономічно корисна мікрофлора. Як це працює

АГРОНОМІЧНО КОРИСНА МІКРОФЛОРА.
ЯК ЦЕ ПРАЦЮЄ

В даний час населення планети становить близько 7 млрд. чоловік, при цьому до 2020 року очікується його стрімке збільшення до 8 млрд. Значне зростання кількості людей призведе до швидкої індустріалізації планети і, відповідно, до погіршення екологічних умов. На думку багатьох вчених, щоб нагодувати світ необхідно переглянути багато з існуючих підходів до ведення сільського господарства, зокрема і використання хімічних добрив і пестицидів.

ПРОБЛЕМА: ВИРОБНИКИ ПРОДУКТІВ ХАРЧУВАННЯ НЕ ВСТИГАЮТЬ ЗА ЗРОСТАННЯМ НАСЕЛЕННЯ

Глобальне підвищення продуктивності сільськогосподарських культур, досягнуте за останнє десятиріччя, також призвело до значного підвищення (в 15-20 разів) кількості використовуваних синтетичних пестицидів, які застосовують для боротьби з шкідниками культурних рослин, однак ефект від застосування збільшених доз стає менш стійким – грунти активно втрачають свою родючість. І якщо навіть завтра зупинити використання хімічних препаратів, для відновлення родючості грунтів і поліпшення екологічної ситуації потрібно буде ще не один десяток років. Тому найближчі 20 років світова тенденція розвитку сільського господарства буде спрямована на суттєве підвищення продуктивності культурних рослин, шляхом використання екологічно безпечних технологій, серед яких і застосування агрономічних корисних мікроорганізмів – PGPB (Plant-Grows Promotion Bacteria). Ринок комерційних біодобрив і біопестіцідов в 2012 році оцінювався в більш ніж $ 1 млрд доларів США і, як очікується, перевищить $ 7 млрд доларів до 2019 року, демонструючи дворазово темпи річного приросту в період між 2013 і 2019 роками.

Даною статтею ми відкриваємо цикл публікацій про перспективність застосування біологічних препаратів на основі мікроорганізмів в сучасних технологіях ведення сільського господарства.

ЩО ТАКЕ АГРОНОМІЧНА КОРИСНА МІКРОФЛОРА АБО PGPB

Грунт заселений мікроскопічними формами життя, які включають бактерії, гриби, актиноміцети, найпростіші і водорості. Їх основну роль можна охарактеризувати практично одним реченням – зберегти родючість грунту, забезпечуючи рослини всіма необхідними елементами живлення. Кількість і тип мікроорганізмів в різних грунтах відрізняються і знаходяться під впливом температури, вологості, наявності солей і інших хімічних речовин, а також від розмаїття рослин, які ростуть на даних грунтах. При цьому вплив конкретної бактерії на рослину, може змінюватися в залежності від умов. Наприклад, мікроорганізми, які сприяють зростанню рослин шляхом забезпечення її фіксованим азотом або мобілізованими сполуками фосфору втрачають свою ефективність при внесенні значних кількостей хімічних добрив.

За типом взаємодії з рослинами PGP бактерії поділяють на вільноживучі, асоціативні (мешкають в прикореневій зоні рослини-господаря), симбіонти (формують взаємовигідні відносини з рослинами) і ендофіти (колонізують деякі рослини або частини їх внутрішніх тканин). Незважаючи на відмінності між цими бактеріями, всі вони використовують одні і ті ж механізми для впливу на розвиток рослин – збільшуючи доступність поживних сполук і модулюючи фітогормональної активність (прямі), або зменшуючи інгібуючу дію різних біотичних і абіотичних факторів, тобто, виконуючи роль біопестіцідов і імуномодуляторів (непрямі).

ПРЯМІ МЕХАНІЗМИ ВПЛИВУ КОРИСНИХ БАКТЕРІЙ НА РОСЛИНИ

Підвищення доступності елементів живлення

Найбільш вивчені механізми стимулювання росту рослин бактеріями включають забезпечення рослин дефіцитними або важкодоступними поживними речовинами: азотом, фосфором, калієм, залізом. Багаті сільськогосподарські грунти не мають достатньої кількості одного і більше зі згаданих з’єднань, що призводить до зниження продуктивності рослин. Щоб усунути цю проблему і отримати більш високі врожаї, фермери стають все більш залежними від хімічних джерел азоту або фосфору. Крім того, хімічні добрива досить дорогі, а на їх виробництво використовуються невідновлювані джерела енергії, тому вигода від біологічних засобів забезпечення рослин азотом і фосфором, які могли б замінити частину хімічних добрив, очевидна.

Найбільш відомим прикладом використання бактерій звичайно ж є обробка насіння бобових штамами бактерій виду Rhizobium. Цей підхід забезпечує швидку колонізацію, нодуляцію і фіксацію атмосферного азоту (N2) за допомогою відповідного штаму. В даний час ефективність інокуляції бобових є загальновизнаним фактом, що призвело до значного поширення в світі широкого спектра препаратів, а інокулянти для бобових можна вважати “історією успіху” прикладної грунтової мікробіології.

   Не менш значний внесок в забезпечення рослин різними формами азоту вносять асоціативні і свободноживущие мікроорганізми азотфіксатори. Серед них найбільш поширеними мікроорганізмами є різні штами Azospirillum, Azotobacter, Acetobacter

Незважаючи на набагато меншу їх ефективність у порівнянні з ризобії (в середньому 30 кг азоту проти 220), в світових масштабах їх глобальний внесок у забезпечення рослин цим елементом становить понад 70%.
Кількість сполук фосфору в ґрунті, як правило, досить високо, але більша його частина недоступна для живлення рослин. Нерозчинні сполуки фосфору присутні в вигляді або неорганічних мінералів, таких як апатити, або в якості органічних форм, включаючи інозітфосфат (грунтовий фитат), фосфомоноефіри і фосфотріефіри. Крім того, значна частина розчинних з’єднань неорганічного фосфору, який використовується в якості хімічних добрив, протягом короткого часу іммобілізуеться і стає недоступною для рослин, що лімітує отримання високих врожаїв. Таким чином, солюбілізація і мінералізація фосфору фосфатмобілізуючих бактеріями є важливою рисою PGPB, таких як Bacillus, Pseudomonas, а також грибів Aspergillus, Trichoderma, Penicillium і мікоризних.

          Залізо є четвертим найпоширенішим елементом на землі. В аеробних грунтах, воно погано засвоюється бактеріями або рослинами, оскільки іони тривалентного заліза або Fe3 +, які переважають в природі, слаборозчинні, так що його кількість, доступне для засвоєння живими організмами, вкрай низька. І мікроорганізмам і рослинам необхідний високий рівень заліза, і тому отримати його достатню кількість в ризосфері ще більш проблематично, оскільки і рослини, і бактерії, і гриби конкурують за даний елемент. Для того, щоб вижити в умовах з обмеженими запасами доступного заліза, бактерії синтезують низькомолекулярні сідерофори – молекули з виключно високим спорідненістю до Fe3 +, а також мембранні рецептори, здатні зв’язуватися з залізо-сідерофорніми комплексами і тим самим полегшуючи поглинання заліза мікроорганізмами.

Забезпечення бактеріальним залізом рослин особливо важливо, в умовах впливу на рослини стресових факторів, зокрема важких металів.

Модуляція рівня фітогормонів

Рослинні гормони грають ключову роль в зростанні і розвитку рослин і в його відповіді на вплив факторів навколишнього середовища. Крім того, протягом усього періоду вегетації рослина часто підпадає під вплив стресових факторів, які можуть обмежувати його зростання. Коли рослини стикаються з негативним впливом навколишнього середовища, вони часто намагаються його нівелювати, шляхом зміни рівнів ендогенних фітогормонів. Оскільки ця стратегія є досить успішною і ризосферні мікроорганізми в лабораторних умовах також виділяють фітогормони, то вважається, що багато PGP бактерій можуть впливати на гормональний баланс рослин і, відповідно, його реакцію на стрес.

Наприклад, в ряді досліджень було показано, що значна кількість ґрунтових бактерій можуть продукувати з’єднання ауксинового, цітокінініовой або гібберелліновой природи або кілька видів одночасно. Однак в даний час немає детального розуміння ролі бактеріальних фітогормонів, оскільки значна частина досліджень, яка вказує на позитивну роль цих речовин, заснована на теорії та інтерполяції ефектів, які ми спостерігаємо при екзогенної обробці даними гормонами. Крім того, значна частина фітопатогенів синтезує значно більшу кількість стимулюючих гормональних речовин, в порівнянні з PGP бактеріями, і при цьому їх дія є ингибирующим.

Синтез в рослинах гормону стресу – етилену збільшується у відповідь на дію екстремальних температур, повені, посухи, наявність токсичних металів і органічних забруднювачів, поранень, засолення, дії хижих комах, різних хвороботворних мікроорганізмів, включаючи віруси, бактерії і гриби. Деякі грунтові бактерії позитивно впливають на ріст і розвиток рослин, синтезуючи фермент ACC-дезамінази, яка блокує надмірне виділення даного стресового гормону.

В ПІДСУМКУ

Виходячи з представлених даних, вигода від використання біологічних препаратів очевидна: вони можуть замінити частину азоту і фосфору, які ми звикли вносити в якості хімічних добрив, за рахунок підвищення доступності елементів живлення для рослин і модуляції рівня фітогормонів, що, в результаті, позитивно впливає на розвиток сільськогосподарських культур. Однак, найбільш виражена вигода від використання біологічних препаратів настає при їх інтеграції в комплексні системи захисту рослин, що передбачають помірне застосування хімічних засобів живлення та захисту культур.

Про те, яку користь аграрію можуть принести біопрепарати завдяки непрямого впливу на культури, а так же, про комерційне застосування бактерій в сільському господарстві читайте в наступних матеріалах.

 

Павло Маменко, кандидат біол. наук,
керівник відділу R & D Торгового Дому «Ензим-Агро»

Translate »