Приметы весны – это не только оголтелые птичьи трели по утрам, но и стайки огородников, ищущих в «садоводах» грунты, удобрения, стимуляторы роста и средства защиты растений. Среди этих покупок все большую долю занимает «зеленая химия» – биопрепараты со спорами или активными химическими субстанциями, выделяемыми микроорганизмами. Однако все это даже не «верхушка айсберга» огромной почвенной микробиоты, создавшей первую и самую совершенную на планете систему земледелия. Изучая образцы почвы из разных концов страны, собранные школьниками в рамках проекта «гражданской науки», новосибирские ученые узнали много нового о роли и функциях этих невидимых агрономов
Почву – тончайший поверхностный слой суши – часто называют «живой кожей Земли». Отчасти и потому, что в 1 см³ здоровой почвы обитает от 100 млн до 1 млрд бактерий, не говоря уже о других микроорганизмах (вирусах, грибах, простейших). И каждый из этих десятков тысяч видов выполняет свою функцию, обеспечивая ее плодородие.
Бактерии-«химики» усваивают недоступный растениям газообразный атмосферный азот; «горняки» производят растворимый фосфор из нерастворимых соединений; «фармацевты» синтезируют спектр биологически активных веществ, влияющих на рост и клеточное деление, а «металлурги» помогают захватывать железо, участвующее в дыхании и фотосинтезе. Наконец, есть бактерии-«охранники», такие как известная всем сенная палочка, которые производят антибиотики широкого спектра действия, создавая вокруг корней противомикробный «щит».
При этом основное число бактерий сосредоточено в области ризосферы – узкой (в несколько мм) зоне вокруг корней растений. С помощью корневых выделений растения сами привлекают полезные им микроорганизмы, «рассчитываясь» за работу органическими веществами. И все это микробное сообщество, как правило, не хаотично, а хорошо организовано.
Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) уже несколько лет ведут масштабный поиск почвенных бактерий с полезными для растений свойствами, которых можно использовать для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, в том числе в экстремальных условиях. Такая работа стала возможна благодаря привлечению волонтеров: сотни школьников из 85 российских регионов собрали свыше 2 тыс. образцов почвы, из которых уже удалось выделить сотни новых штаммов бактерий.
В коллекции бактерий, собранной благодаря усилиям гражданских ученых, есть настоящие «звезды». Так, штамм Enterobacter soli из Брянской области не только оказался настоящим «многостаночником», но и оставался активным в среде с высоким содержанием соли и при пониженном содержании воды. В натурных экспериментах обработка пшеницы этим штаммом значительно увеличивала рост и биомассу растений в условиях засоления почвы и при засухе. При этом самые впечатляющие результаты дало комбинированное применение бактерий и минеральных удобрений.
Как показали эксперименты с этим и другими потенциально эффективными штаммами, бактерии и минеральные удобрения усиливают действие друг друга, работая через разные физиологические механизмы. Удобрения обеспечивают растение элементами питания напрямую, а бактерии помогают мобилизовать ресурсы почвы, синтезируют гормоны роста и активируют защитные системы самого растения.
Благодаря математическому моделированию микробных взаимодействий мы знаем, что кооперация специализированных организмов более эффективна, чем конкуренция универсальных. Так, азотфиксаторы и фосфатмобилизаторы взаимно обеспечивают друг друга своей продукцией, а производители молекулярных захватов железа (сидерофоров) снабжают этим важным элементом все сообщество, получая взамен защиту от антибиотиков. Такие взаимовыгодные отношения служат основой устойчивых и чрезвычайно эффективно работающих сообществ-консорциумов.
Поэтому новосибирские исследователи перешли от поиска бактериальных «суперштаммов» к конструированию синтетических микробных консорциумов, где каждый штамм выполняет свою функцию. Результаты полевых испытаний этих препаратов пока далеки от сенсационных. Прибавка урожайности составила 15–25 % в зависимости от культуры и типа почвы, при этом наиболее отзывчивой оказалась гречиха, у которой также повысилось качество зерна при одновременном росте численности азотфиксирующих бактерий. Так что уже сейчас подобная технология может быть вполне рентабельна, особенно для не слишком плодородных почв.
Что до широкого практического применения, то в биотехнологиях путь от лаборатории до «поля» очень тернист. В нашей стране они сталкиваются, помимо проблем изменчивости условий среды, совместимости со средствами химзащиты растений и отсутствия стандартных методов контроля качества, с регуляторными барьерами. Регистрация биопрепаратов в РФ занимает 3–5 лет и обходится в 50–100 млн рублей, что отпугивает потенциальных инвесторов.
Однако именно революционные биотехнологические продукты способны изменить будущее сельского хозяйства, сделав его не только более прибыльным, но и более устойчивым и экологически безопасным. Будем надеяться, что близок день, когда тот же огородник, перефразируя Некрасова, «понесет с базара» эти новинки вместо привычных мочевины и фитоспорина.
Подробнее читайте в «НАУКА из первых рук», №2 (104) в статье «Невидимые фермеры и агрономы. Как почвенные бактерии меняют будущее сельского хозяйства»
Публикации по теме:
Гражданская наука: приглашаются все!
Наука в руках школьника: сибирские «охотники за микробами»
«Шагреневая кожа» Земли. Природоподобные технологии рекультивации угольных отвалов
ГМО и другие генетические тайны селекции растений