Агрономически полезная микрофлора. Как это работает

По мнению многих учёных, чтобы накормить мир необходимо пересмотреть многие из существующих подходов к ведению сельского хозяйства, в частности и использование химических удобрений и пестицидов.

Проблема: производители продуктов питания не успевают за ростом населения

Глобальное повышение продуктивности сельхозкультур, достигнутое в последнее десятилетия, также привело к значительному повышению (в 15-20 раз) количества используемых синтетических пестицидов, которые применяют для борьбы с вредителями культурных растений, однако эффект от применения увеличенных доз становится менее устойчивым – почвы активно теряют своё плодородие. И если даже завтра остановить использование химических препаратов, для восстановления плодородия почв и улучшения экологической ситуации нужно будет ещё не один десяток лет. Поэтому ближайшие 20 лет мировая тенденция развития сельского хозяйства будет направлена ​​на существенное повышение производительности культурных растений, путем использования экологически безопасных технологий, среди которых и применение агрономически полезных микроорганизмов - PGPB (Plant-Grows Promotion Bacteria).
Данной статьей мы открываем цикл публикаций об перспективности применения биологических препаратов на основе микроорганизмов в современных технологиях ведения сельского хозяйства.

Что такое агрономически полезная микрофлора или PGPB

Грунт заселён микроскопическими формами жизни, которые включают бактерии, грибы, актиномицеты, простейшие и водоросли. Их основную роль можно охарактеризовать практически одним предложением – сохранить плодородие почвы, обеспечивая растения всеми необходимыми элементами питания. Количество и тип микроорганизмов в различных почвах отличаются и находятся под влиянием температуры, влажности, наличия солей и других химических веществ, а также от разнообразия растений, которые растут на данных почвах. При этом воздействие конкретной бактерии на растение может изменяться в зависимости от условий. Например, микроорганизмы, которые способствуют росту растений путём обеспечения её фиксированным азотом или мобилизованными соединениями фосфора теряют свою эффективность при внесении значительных количеств химических удобрений.
По типу взаимодействия с растениями PGP бактерии разделяют на свободноживущие, ассоциативные (обитают в прикорневой зоне растения-хозяина), симбионты (формируют взаимовыгодные отношения с растениями) и эндофиты (колонизируют некоторые растения либо части их внутренних тканей). Несмотря на различия между этими бактериями, все они используют одни и те же механизмы для влияния на развитие растений – увеличивая доступность питательных соединений и модулируя фитогормональную активность (прямые), либо уменьшая ингибирующее действие различных биотических и абиотических факторов, то есть, выполняя роль биопестицидов и иммуномодуляторов (косвенные).

Прямые механизмы воздействия полезных бактерий на растения

Повышение доступности элементов питания
Наиболее изученные механизмы стимулирования роста растений бактериями включают обеспечение растений дефицитными или труднодоступными питательными веществами: азотом, фосфором, калием, железом. Многие сельскохозяйственные почвы не имеют достаточного количества одного и более из упомянутых соединений, что приводит к снижению продуктивности растений. Чтобы устранить эту проблему и получить более высокие урожаи, фермеры становятся все более зависимыми от химических источников азота либо фосфора. Кроме того, химические удобрения достаточно дорогостоящие, а на их производство используются невосстанавливаемые источники энергии, поэтому выгода от биологических средств обеспечения растений азотом и фосфором, которые могли бы заменить часть химических удобрений, очевидна.
Наиболее известным примером использования бактерий, конечно же, является обработка семян бобовых штаммами бактерий вида Rhizobium. Этот подход обеспечивает быструю колонизацию, нодуляцию и фиксацию атмосферного азота (N2) с помощью соответствующего штамма. В настоящее время эффективность инокуляции бобовых является общепризнанным фактом, что привело к значительному распространению в мире широкого спектра препаратов, а инокулянты для бобовых можно считать «историей успеха» прикладной почвенной микробиологии.
Не менее значительный вклад в обеспечение растений различными формами азота вносят ассоциативные и свободноживущие микроорганизмы-азотфиксаторы. Среди них наиболее распространёнными микроорганизмами являются различные штаммы Azospirillum, Azotobacter, Acetobacter и др.
Несмотря на гораздо меньшую их эффективность по сравнению с ризобиями (в среднем 30 кг азота против 220), в мировых масштабах их глобальный вклад в обеспечение растений данным элементом составляет более 70 %.
Количество соединений фосфора в почве, как правило, достаточно высоко, но большая его часть недоступна для питания растений. Нерастворимые соединения фосфора присутствуют в виде или неорганических минералов, таких как апатиты, или в качестве органических форм, включая инозитфосфат (почвенный фитат), фосфомоноефиры и фосфотриефиры. Кроме того, значительная часть растворимых соединений неорганического фосфора, который используется в качестве химических удобрений, в течение короткого времени иммобилизуется и становится недоступной для растений, что лимитирует получение высоких урожаев. Таким образом, солюбилизация и минерализация фосфора фосфатмобилизирующими бактериями является важной чертой PGPB, таких как Bacillus, Pseudomonas, а также грибов Aspergillus, Trichoderma, Penicillium и микоризных.
Железо является четвертым самым распространенным элементом на земле. В аэробных почвах, оно плохо усваивается бактериями или растениями, поскольку ионы трехвалентного железа или Fe3+, которые преобладают в природе, слаборастворимы, так что его количество, доступное для усвоения живыми организмами, крайне низкое. И микроорганизмам и растениям необходим высокий уровень железа, и поэтому получить его достаточное количество в ризосфере ещё более проблематично, поскольку и растения, и бактерии, и грибы конкурируют за данный элемент. Для того, чтобы выжить в условиях с ограниченными запасами доступного железа, бактерии синтезируют низкомолекулярные сидерофоры – молекулы с исключительно высоким сродством к Fe3+, а также мембранные рецепторы, способные связываться с железо-сидерофорнимы комплексами и тем самым облегчая поглощение железа микроорганизмами.
Обеспечение бактериальным железом растений особенно важно, в условиях воздействия на растения стрессовых факторов, в частности, тяжёлых металлов.

Модуляция уровня фитогормонов
Растительные гормоны играют ключевую роль в росте и развитии растений и в его ответе на воздействие факторов окружающей среды. Кроме того, в течение всего периода вегетации растение часто подвергается влиянию стрессовых факторов, которые могут ограничивать его рост. Когда растения сталкиваются с негативным воздействием окружающей среды, они часто пытаются его нивелировать, путем изменения уровней эндогенных фитогормонов. Поскольку эта стратегия является достаточно успешной и ризосферные микроорганизмы в лабораторных условиях также выделяют фитогормоны, то считается, что многие PGP бактерий могут влиять на гормональный баланс растений и, соответственно, его реакцию на стресс.
Например, в ряде исследований было показано, что значительное количество почвенных бактерий могут продуцировать соединения ауксиновой, цитокининиовой или гиббереллиновой природы или несколько видов одновременно. Однако в настоящее время нет детального понимания роли бактериальных фитогормонов, поскольку значительная часть исследований, указывающая на положительную роль этих веществ, основана на теории и интерполяции эффектов, которые мы наблюдаем при экзогенной обработке данными гормонами. Кроме того, значительная часть фитопатогенов синтезирует значительно большее количество стимулирующих гормональных веществ, по сравнению с PGP бактериями, и при этом их действие является ингибирующим.
Синтез в растениях гормона стресса – этилена увеличивается в ответ на действие экстремальных температур, наводнения, засухи, наличие токсичных металлов и органических загрязнителей, ранений, засолений, действие хищных насекомых, различных болезнетворных микроорганизмов, включая вирусы, бактерии и грибы. Некоторые почвенные бактерии положительно влияют на рост и развитие растений, синтезируя фермент ACC-дезаминазу, которая блокирует чрезмерное выделение данного стрессового гормона.

В итоге
Исходя из представленных данных, выгода от использования биологических препаратов очевидна: они могут заменить часть азота и фосфора, которые мы привыкли вносить в качестве химических удобрений, за счет повышения доступности элементов питания для растений и модуляции уровня фитогормонов, что, в результате, положительно влияет на развитие сельскохозяйственных культур. Однако, наиболее выраженная выгода от использования биологических препаратов наступает при их интеграции в комплексные системы защиты растений, предусматривающие умеренное применение химических средств питания и защиты культур.
О том, какую пользу аграрию могут принести биопрепараты благодаря косвенному воздействию на культуры, а так же, о коммерческом применении бактерий в сельском хозяйстве читайте в следующих материалах.

Павел Маменко,
кандидат биологических наук,
руководитель отдела R&D Торгового Дома «БиоПрепарат»

Источник: «АПК Эксперт. Растениеводство»