Від колби до поля. Бактерії і революція в сільському господарстві

Замінюємо хімію біологією: сила мікробів

У природі рослини еволюціонують разом із мікробами, що живуть у прикореневій зоні, на листі і навіть всередині рослинних клітин. Рослини забезпечують мікроби поживними речовинами в формі вуглецю, а мікроби, в свою чергу, роблять поживні речовини доступними для рослин і допомагають останнім запобігти захворюванням. Але коли люди почали вносити все більше й більше хімікатів на поля і орати землю, вони зруйнували тісний зв’язок рослин із мікробами, знищивши багато корисних мікроорганізмів.

Кілька років тому ад’юнкт-професор Університет штату Колорадо Меттью Валленштайн вирішив використати свої знання про грунтових мікробів для поліпшення землеробства. Серед іншого, його надихнув несподіваний успіх лікарів у використанні матеріалу з людських фекалій для лікування хронічної і часто смертельної бактеріальної інфекції — псевдомембранозного коліту, що викликається бактеріями Clostridium difficile. Шляхом простого переселення фекальної мікробіоти від здорової людини хвороба була вилікувана. Чи міг би працювати подібний підхід у сільському господарстві?

«Мікроби важливі для будь-якого агроценозу. – говорить Валленштейн. – Навіть якщо ми розробили неймовірно продуктивні системи господарювання, дані досліджень свідчать про те, що ми маємо ще більше можливостей для вдосконалення, збагачуючи мікробіоту».

Разом зі своїм колегою в Університеті штату Колорадо доктором Коліном Беллом він почав розробляти мікробіологічну технологію підвищення доступності фосфору, критично необхідного рослинам для росту. В сільському господарстві вносять фосфорні добрива, однак при цьому до 70% фосфору зв’язується грунтовими часточками і стають недоступним для рослин. Рослинам важливо отримати елементи живлення, причому саме тоді, коли вони їх потребують. Один зі способів досягти цього – використання корисних мікроорганізмів.

Мікроби можуть розблоковувати фосфор і мікроелементи, роблячи їх доступними для рослин. В Університеті штату Колорадо розробили комбінацію 4 бактерій, що винятково добре робили фосфор доступними для рослин, завдяки чому рослини виростали більшими і здоровішими. Бактерії роблять це, продукуючи спеціальні молекули, які розривають зв’язки між фосфором і часточками грунту. Щоб надати цю технологію фермерам, було створено компанія Growcentia, першим препаратом якої став Mammoth P.

З кожним роком усе більше дослідників думає, що мікроби допоможуть нагодувати світ. З’явилося чимало подібних стартапів: AgBiome, Indigo, Maronne Bioinnovations і New Leaf Symbiotics. Роль біопрепаратів у сільському господарстві зростатиме по мірі інвестицій у їх розробку і впровадження. Згідно з деякими прогнозами, очікується збільшення вкладень у дослідження й розробки в цій галузі на 20% порівняно з 2016-м роком.

Найбільші в світі сільськогосподарські компанії теж багато інвестують у біопрепарати. Наприклад, Monsanto зараз інвестує $300 млн в об’єднання з біотехнологічною компанією NovoZymes.

«Наш двокомпонентний препарат Vault HP plus Integral утворює симбіотичні зв’язки з соєю. – говорить Джастін Кларк, технічний маркетинг-менеджер з захисту рослин американського підрозділу BASF. – Ми покриваємо насіння високою концентрацією бактерії ризобія, завдяки чому рослина формує більше бульбочок і засвоює більше азоту».

Увага, компанія BASF протягом наступних 5 років планує виведення на ринок принаймні 4 нових біопрепаратів.

Чому транснаціональна компанія заходить у мікробіологічну галузь? Частково хімічний гігант визнає проблеми, створені «хімічним» сільським господарством, і хоче зберегти свої позиції і в майбутньому. Очевидно, BASF відчуває потенційні прибутки від надання фермерам нових інструментів, щоб виробляти продовольство ефективніше і з меншим впливом на нашу планету.

Growcentia зосереджується на грунтових мікроорганізмах, що підвищують ефективність використання і засвоєння елементів живлення, але мікроби допомагають сільському господарству й іншими способами. Деякі компанії зосереджуються на продуктах на основі мікробів, що знижують стрес рослин від посухи, спонукаючи їх шляхом «обману» продовжувати ріст навіть у посушливих умовах. Біопрепарати допомагають справитися рослині зі стресом, вводячи її в оману – ніби вона зазнала атаки. Це вмикає природні захисні сили, які допомагають рослині пережити стрес від спеки або посухи.

Так, фірма Verdesian Life Sciences хоче додатково допомогти культурним рослинам пережити стрес за допомогою бактерії, яка раніше не використовувалася в біопрепаратах. «Є бактерія під назвою Pseudomonas fluorescens, яка діє, як гербіцид, що контролює один із видів стоколосу (Bromus tectorum – російською Костёр кровельный), що у США є одним з найагресивніших бур’янів, зокрема, на пшениці», - розповідає віце-президент з технологічного розвитку Verdesian Life Sciences Сем Вілсон.

Фірми Marrone Bio Innovation і Groundwork BioAg щойно запустили першу чисто біологічну технологію оздоровлення насіння.

За допомогою біопрепаратів можна стимулювати і більш ранній ріст рослин. Так, деякі біопрепарати прискорюють укорінення розсади.

Та, мабуть, найбільш спокусливою можливістю виглядає контроль шкідників без застосування хімічних ЗЗР. Біопрепарати можуть витісняти шкідників, завдаючи їм шкоди, зупиняючи їхній ріст тощо.

Конкуренція означає те, що мікробіота біопрепаратів витісняє шкідливі мікроби. В антибіотиках у ріст або активність шкідників втручаються метаболіти. Це вбиває шкідників або нейтралізує їх, порушуючи природний розвиток.

Мікроорганізм зіштовхує два організми у смертельній битві один з одним. Якщо заселені Вами за допомогою біопрепарату організми виживають – урожай захищено.

Мікроби можуть навіть впливати на час цвітіння. Можливості безкінечні!

Нарощування масштабів

Корисні мікроби використовуються в сільському господарстві вже тривалий час. Фермери вже десятиліттями вносять азотофіксуючі бактерії на бобові культури і симбіотичний гриб мікоризу, що допомагає рослинам засвоювати елементи живлення. Але багато більш давніх продуктів містять невизначені комбінації мікробів і мають широкий перелік умов, від яких залежить ефективність їх дії. Відтак багато хто називає їх сільськогосподарським плацебо. Через це важко переконати фермерів застосовувати наступне покоління препаратів на основі корисних мікробів.

«Досі ми могли вести спостереження й дослідження лише тих мікробів, які було легко культивувати в лабораторії за допомогою традиційних технологій — зовсім невелику частину всього розмаїття мікроорганізмів. Але зараз у нашому розпорядженні є нові методи розвитку мікробіологічної технології, що точно націлені на спеціальні властивості. Це дослідження генів методом секвенування або дослідження їхніх властивостей шляхом скринінгу з високою пропускною здатністю для виявлення мікроорганізмів з потрібними характеристиками. Ми також можемо піддавати мікроби генній інженерії, щоби виводити нові штами з потрібними характеристиками. Ми можемо навіть синтезувати абсолютно нові види з набору існуючих мікроорганізмів», - пише Валленштейн.

Одне діло вирощувати корисні мікроби, які поліпшуватимуть ріст рослин в експериментальних теплицях. Впроваджувати біопрепарати, які можуть вироблятися в великих масштабах, транспортуватися і зберігатися в жорстких умовах протягом тривалого часу і працюватимуть безвідмовно в різних грунтово-кліматичних умовах — набагато більший виклик. З цієї точки зору у багатьох продуктів попереду ще довгий шлях від пробірки до поля.

Мікробний світ

Коли люди думають про мікробів, їхня уява відразу малює бактерії і хвороби. Але більшість мікробів корисні, і ми буквально не можемо жити без них. Ми надто довго ігнорували користь здорової мікробіоти у сільському господарстві. Швидкий ріст інтересу до мікробів, корисних для сільського господарства, викликає захоплення і провіщає майбутнє, де сільське господарство менше залежне від хімікатів. Майбутнє продовольчої галузі — у нас під ногами, в невидимому світі мікроорганізмів.

Єдине, що ефективність біопрепаратів залежить від типу грунту, організму та погодних умов. А при прийнятті рішення слід керуватись тим, чи варті локальні результати і затрати очікуваного приросту врожайності.

Переклад Богдан Малиновський, b.malinovskiy@univest-media.com

За матеріалами theconversation.com та agweb.com