Спецвозможности
Технологии

От колбы до поля. Бактерии и революция в сельском хозяйстве

18.03.2017
7522
От колбы до поля. Бактерии и революция в сельском хозяйстве фото, иллюстрация
Переводя фосфор в подвижную форму, микробы помогают культурам, например сахарной свекле, усвоить его и ускорить рост растений

Темпы по наращиванию агропроизводства существенно замедлились и не успевают за ростом спроса. Очевидна потребность в инновациях, которые бы изменили способ производства продовольствия и сделали его более устойчивым. Новое поколение ученых хочет использовать действие природных бактерий для совершенствования сельского хозяйства. Генетика помогает существенно продвинуться в исследовании микробов, которые живут практически повсеместно.

Так как новые данные о микроорганизмах, которые существуют в теле человека, произвели революцию в медицине и дали начало новой индустрии пробиотиков, так же они могут вызвать революцию и в сельском хозяйстве.

 

 

Заменяем химию биологией: сила микробов

В природе растения эволюционируют вместе с микробами, живущими в прикорневой зоне, на листьях и даже внутри растительных клеток. Растения обеспечивают микробы питательными веществами в форме углерода, а микробы, в свою очередь, делают питательные вещества доступными для растений и помогают последним предотвратить заболевания. Но когда люди начали вносить все больше и больше химикатов на поля и пахать землю, они разрушили тесную связь растений с микробами, уничтожив много полезных микроорганизмов.

Несколько лет назад адъюнкт-профессор Университет штата Колорадо Мэттью Валленштейн решил использовать свои знания о почвенных микробах для улучшения земледелия. Среди прочего, его вдохновил неожиданный успех врачей в использовании материала из человеческих фекалий для лечения хронической и часто смертельной бактериальной инфекции - псевдомембранозного колита, вызываемого бактериями Clostridium difficile. Путем простого переселения фекальной микробиоты от здорового человека болезнь была вылечена. Смог бы работать подобный подход в сельском хозяйстве?

«Микробы важны для любого агроценоза. - говорит Валленштейн. - Даже если мы разработали невероятно производительные системы хозяйствования, данные исследований свидетельствуют о том, что мы имеем больше возможностей для совершенствования, обогащая микробиоту».

Вместе со своим коллегой в Университете штата Колорадо доктором Колином Беллом он начал разрабатывать микробиологическую технологию повышения доступности фосфора, критически необходимого растениям для роста. В сельском хозяйстве вносят фосфорные удобрения, однако при этом до 70% фосфора связывается грунтовыми частицами, они становятся недоступным для растений. Растениям важно получить элементы питания, причем именно тогда, когда они в них нуждаются. Один из способов достичь этого - использовать полезные микроорганизмы.

Микробы могут разблокировать фосфор и микроэлементы, делая их доступными для растений. В Университете штата Колорадо разработали комбинацию 4 бактерий, которые исключительно хорошо сделали фосфор доступным для растений, благодаря чему растения вырастали большими и здоровыми. Бактерии делают это, производя специальные молекулы, которые разрывают связи между фосфором и частичками грунта. Чтобы предоставить эту технологию фермерам, была создана компания Growcentia, первым препаратом которой стал Mammoth P.

С каждым годом все больше исследователей полагает, что микробы помогут накормить мир. Появилось немало подобных стартапов: AgBiome, Indigo, Maronne Bioinnovations и New Leaf Symbiotics. Роль биопрепаратов в сельском хозяйстве будет расти по мере инвестиций в их разработку и внедрение. Согласно некоторым прогнозам, ожидается увеличение вложений в исследования и разработки в этой области на 20% по сравнению с 2016-м годом.

Мікроби в грунті на гірському схилі на сході штату Вашінгтон

Крупнейшие в мире сельскохозяйственные компании тоже много инвестируют в биопрепараты. Например, Monsanto сейчас инвестирует $300 млн в объединение с биотехнологической компанией NovoZymes.

«Наш двухкомпонентный препарат Vault HP plus Integral образует симбиотические связи с соей. - говорит Джастин Кларк, технический маркетинг-менеджер по защите растений американского подразделения BASF. - Мы покрываем семена высокой концентрацией бактерии ризобии, благодаря чему растение формирует больше пузырьков и усваивает больше азота».

Компания BASF в течение следующих 5 лет планирует вывод на рынок не менее 4 новых биопрепаратов.

Почему транснациональная компания входит в микробиологическую отрасль? Частично химический гигант признает проблемы, созданные «химическим» сельским хозяйством, и хочет сохранить свои позиции и в будущем. Очевидно, BASF чувствует потенциальные доходы от предоставления фермерам новых инструментов, чтобы производить продовольствие эффективнее и с меньшим влиянием на нашу планету.

Growcentia сосредотачивается на грунтовых микроорганизмах, повышающих эффективность использования и усвоения элементов питания, но микробы помогают сельскому хозяйству и другими способами. Некоторые компании работают над созданием продуктов на основе микробов, снижают стресс растений от засухи, побуждая их путем «обмана» продолжать рост даже в условиях засухи. Биопрепараты помогают справиться растениям со стрессом, вводя их в заблуждение - будто они подверглась атаке. Это включает естественные защитные силы, которые помогают растению пережить стресс от жары или засухи.

Так, фирма Verdesian Life Sciences хочет дополнительно помочь культурным растениям пережить стресс с помощью бактерии, которая ранее не использовалась в биопрепаратах. «Есть бактерия под названием Pseudomonas fluorescens, которая действует, как гербицид, контролирующий один из видов костреца (Bromus tectorum - рус. костёр кровельный), который в США является одним из самых агрессивных сорняков, в частности, пшеницы», - рассказывает вице- президент по технологическому развитию Verdesian Life Sciences Сэм Уилсон.

Фирмы Marrone Bio Innovation и Groundwork BioAg только что запустили первую чисто биологическую технологию оздоровления семян.

Mammoth P, мікробіологічний препарат, прискорює ріст рослин, вивільняючи фосфор з часточок грунту, так щоб рослини могли засвоїти його

С помощью биопрепаратов можно стимулировать и более ранний рост растений. Так, некоторые биопрепараты ускоряют укоренение рассады.

Но, пожалуй, наиболее соблазнительной возможностью выглядит контроль вредителей без применения химических СЗР. Биопрепараты могут вытеснять вредителей, нанося им вред, останавливая их рост и тому подобное.

Конкуренция означает, что микробиота биопрепаратов вытесняет вредные микробы. В антибиотиках в рост или активность вредителей вмешиваются метаболиты. Это убивает вредителей или нейтрализует их, нарушая естественное развитие.

Микроорганизм сталкивает два организма в смертельной битве друг с другом. Если заселенные с помощью биопрепарата организмы выживают - урожай защищен.

Микробы могут даже влиять на время цветения. Возможности бесконечны!

Наращивание масштабов

Полезные микробы используют в сельском хозяйстве длительное время. Фермеры десятилетиями вносят азотфиксирующие бактерии на бобовые и симбиотический гриб микоризу, что помогает растениям усваивать элементы питания. Но многие более древние продуктов содержат неопределенные комбинации микробов и имеют широкий перечень условий, от которых зависит эффективность их действия. Многие называют их сельскохозяйственным плацебо. Поэтому трудно убедить фермеров применять следующее поколение препаратов на основе полезных бактерий.Фермери заселяють грунт або насіння бобових бактеріями, які добувають азот із повітря і роблять його доступним для рослин. Бактерії формують бульбочки на корінні рослин

«До сих пор мы могли наблюдать и исследовать только те микробы, которых было легко культивировать в лаборатории с помощью традиционных технологий - совсем небольшую часть из всего разнообразия микроорганизмов. Но сейчас в нашем распоряжении есть новые методы развития микробиологической технологии, которые точно нацелены на специальные свойства. Это исследование генов методом секвестирования или исследования их свойств путем скрининга с высокой пропускной способностью для выявления микроорганизмов с нужными характеристиками. Мы можем подвергать микробы генной инженерии, чтобы выводить новые штаммы с нужными характеристиками. Мы можем даже синтезировать совершенно новые виды из набора существующих микроорганизмов», - пишет Валленштейн.

Одно дело выращивать полезные микробы, которые улучшать рост растений в экспериментальных теплицах. Внедрять биопрепараты, которые могут производиться в больших масштабах, транспортироваться и храниться в рабочих условиях в течение длительного времени и будут работать безотказно в разных почвенно-климатических условиях - гораздо больший вызов. С этой точки зрения у многих продуктов впереди еще долгий путь от пробирки до поля.

Микробный мир

Когда люди думают о микробах, их воображение сразу рисует бактерии и болезни. Но большинство микробов полезны, и мы буквально не можем жить без них. Мы слишком долго игнорировали пользу здоровой микробиоты в сельском хозяйстве. Быстрый рост интереса к микробам, полезных для сельского хозяйства, вызывает восхищение и предвещает будущее, где сельское хозяйство менее зависит от химикатов. Будущее продовольственной отрасли - у нас под ногами, в невидимом мире микроорганизмов.

Единственное, что эффективность биопрепаратов зависит от типа почвы, организма и погодных условий. А при принятии решения следует руководствоваться тем, стоят ли локальные результаты и затраты ожидаемого прироста урожайности.

 

Перевод Богдан Малиновскийb.malinovskiy@univest-media.com

По материалам theconversation.com и agweb.com

Интервью
Аграрный союз Украины - это общественная организация, объединяющая сельхозпроизводителей. Преимущественно - «середняков» с земельным банком от 1000 до 3000 га. Она, как и ряд других объединений сельхозпроизводителей, выступила с резкой... Подробнее
Заступник директора з наукової роботи Інституту садівництва НААНУ Олександр Ярещенко
Многие аграрии ищут что-то, на чем можно было бы заработать большие деньги. Часть из них с этой целью ищет что-то такое, чем бы еще мало кто занимался, по крайней мере в промышленном масштабе. Поэтому интерес значительной части аграрной... Подробнее

1
0