Сибирские ученые ищут микробы, стимулирующие рост растений
20.10.2022
Источник: НАУКА В СИБИРИ, 20.10.2022, Диана Хомякова
Сотрудники Института
химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Новосибирского
государственного университета провели анализ использования фосфатсолюбилизирующих
микроорганизмов в качестве природных удобрений. С помощью таких микробов в
перспективе можно будет снизить применение фосфатных удобрений и сделать
доступными для растений фосфаты из горных пород и вулканического пепла. Статья
об этом опубликована в специальном выпуске Plant Growth Promoting Bacteria
журнала Plants.
Фосфор является одним
из важнейших макроэлементов для роста и развития растений. Он составляет от 0,2
до 0,8 % их сухой массы и считается вторым по важности макроэлементом после
азота. Однако далеко не всегда фосфор, содержащийся в почве, доступен корням
растений. Эта проблема традиционно решается внесением фосфорных удобрений.
Однако и большая часть искусственно добавляемых фосфатов малодоступна для
корней растений. Кроме того, длительное применение таких удобрений закисляет
почву и загрязняет реки, приводит к эвтрофикации (увеличению выработки
биомассы) водоемов. Поэтому повышение биодоступности нерастворимого в почве
фосфата — одна из первоочередных задач сельского хозяйства.
Среднее содержание
фосфора в почве составляет около 0,05 % по массе, и лишь 0,1 % этих фосфатов
доступно корням растений.
Помочь в этом могут
почвенные бактерии, которые могут минерализовать нерастворимые фосфаты, делая
их более доступными для растений. Их называют фосфатсолюбилизирующими микроорганизмами.
Некоторые из них повышают урожайность и другими способами, поскольку способны к
биологической фиксации азота и синтезируют растительные гормоны, например гетероауксин.
Кроме того, фосфатсолюбилизирующие бактерии делают более доступными для
растений цинк и железо.
Ученые ИХБФМ СО РАН и
НГУ для спецвыпуска Plant Growth Promoting Bacteria («Бактерии, стимулирующие
рост растений») журнала Plants провели научный обзор разнообразия почвенных
микроорганизмов, минерализующих фосфаты, а также изучили биохимические и
молекулярно-биологические механизмы, с помощью которых они это делают. Также
исследователи оценили потенциальную роль таких микроорганизмов в качестве
естественных биоудобрений в растениеводстве. Ученые проанализировали все фосфатсолюбилизирующие
бактерии, описанные в литературе на сегодняшний день.
«Эта статья написана в
рамках проекта “Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов”. По условиям
гранта в исследованиях принимают участие “гражданские ученые” — школьники и их
наставники, учителя школ и организаций допобразования. Помощники ученых вместе
с наставниками собирают образцы почвы, проводят их первичный скрининг:
определяют pH, другие физико-химические характеристики, и на специальных средах
выявляют микроорганизмы, полезные для роста растений. Образцы почвы и микробов
передают ученым. В этом году мы должны собрать десять тысяч образцов почвы и
микроорганизмов, поместить их в коллекцию и нанести на карту», — рассказывает
научный сотрудник ИХБФМ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Евгеньевич
Седых.
Проект «Всероссийский
атлас почвенных микроорганизмов» реализуется в ИХБФМ СО РАН по федеральной
научно-технической программе развития генетических технологий на 2019—2027
годы. В число организаций соисполнителей входят НГУ, Институт почвоведения и
агрохимии СО РАН, Научно-технологический университет «Сириус», Университет
Сколково, Всероссийская коллекция микроорганизмов (Пущино). За работу со
школьниками и наставниками отвечает фонд «Поддержка проектов в области образования».
В 2022 году в проекте участвуют две тысячи школьников из 60 регионов России.Проект
полезен как ученым, наставникам, так и школьникам. Интерес первых в том, что
ученики выполняют простую, но трудоемкую работу по сбору и выявлению новых
микроорганизмов. «Сами мы бы никогда не собрали за год десять тысяч образцов»,
— комментирует Сергей Седых. Наставники заинтересованы в такой работе, так как
учителям очень не хватает идей для научно-исследовательских проектов. Школьники
же получают уникальную образовательную программу и опыт научной деятельности.
Почти каждая команда делает свое первое, небольшое, но настоящее научное
открытие. Интерес детей стимулирует и то, что их результаты востребованы
учеными. С 2019 года, когда стартовал проект, в коллекции ИХБФМ СО РАН
появилось уже несколько десятков бактерий, улучшающих рост растений, собранных
при участии детей.
Почвенные
фосфатсолюбилизирующие бактерии мобилизируют фосфат двумя путями. Одни
секретируют органические кислоты, например лимонную кислоту, компонент цикла
Кребса, высвобождающие неорганические фосфаты. Такие фосфаты находятся,
например, в скальных породах и вулканическом пепле. Если обработать пепел
бактериями, растворяющими минералы, может получиться отличное удобрение.
Особенно оно будет востребовано там, где вулканического материала очень много,
например на Камчатке.
Узнать, какие из
собранных микроорганизмов способны добывать таким образом фосфаты, очень
просто: достаточно лишь размолоть пепел, добавить в бесфосфатную питательную
среду и посеять туда бактерии. Если колония бактерий растет, а под ней образуется
«дырка», — значит бактерия выделяет кислоту, растворяющую фосфат. Конечно,
нужны и полевые исследования. По первичным данным камчатских аграриев, использование
вулканического пепла позволило им на 30 % повысить урожайность картофеля и
других культур.
Еще один тип
фосфатсолюбилизирующих бактерий выделяет наружу ферменты, отщепляющие
органические фосфаты. Это, например, позволяет извлекать фосфаты из фитина
(сложный органический препарат фосфора, содержащий смесь кальциевых и магниевых
солей различных инозитфосфорных кислот). Этого препарата очень много в почве,
гумусе, перегное, он запасает фосфаты, но в неусвояемом виде. Ферменты бактерий
режут такие фосфаты и превращают в удобоваримые для растений. Фосфатсолюбилизирующие
бактерии безопасны для окружающей среды.
«Использование
микробов в сельском хозяйстве является достаточно новым словом в агробиотехнологиях.
Во-первых, это природные удобрения, позволяющие значительно снизить применение
химических веществ или вовсе отказаться от них. Во-вторых, высвобождение
фосфатов нужно и для другого принципиально важного для растений процесса —
азотфиксации. Она тоже может осуществляться с помощью бактерий, которые
атмосферный азот превращают в молекулярный и дают его корням. Оказалось, что
этот процесс очень энергоемкий, и многие из азотфиксирующих бактерий являются
одновременно фосфатсолюбилизирующими», — объясняет младший научный сотрудник
ИХБФМ СО РАН кандидат биологических наук Анна Михайловна Тимофеева.
Есть и третий вид
полезных для сельского хозяйства бактерий — они синтезируют сидерофоры.
Сидерофоры — это особые органические соединения, выделяемые бактериальными
клетками, чтобы обеспечивать себя жизненно необходимым железом. Неорганическое
железо трудно усваивается растениями из почвы, а сидерофор-продуцирующие
микробы, которым оно также нужно для метаболизма, превращают неусвояемое железо
в усвояемое и немного делятся им с корнями растений. По сидерофорным бактериям
в ИХБФМ СО РАН готовится следующая обзорная статья.
Почвенные образцы в чашке Петри
«Будущее зеленой
химии, возможно, состоит в том, чтобы создавать консорциумы из азотфиксирующих,
фосфатсолюбилирующих и сидерофор-продуцирующих бактерий. Скорее всего, универсального
коктейля из трех бактерий сделать не получится — для каждой культуры, каждой
почвы и каждой климатической зоны придется подбирать свой уникальный состав.
Еще важно искать микроорганизмы, способные не только уживаться друг с другом,
но и нарабатываться в биореакторе. Возможно, удастся найти микробы, которые,
как швейцарские ножи, смогут выполнять сразу несколько функций», — рассказывает
Анна Тимофеева.
От бактериального
состава почв во многом зависит то, как будут приживаться растения. Например, в
советские годы в Казахстане создавали лесозащитные полосы из деревьев,
привезенных из средней полосы России. Тысячи саженцев погибли, прежде чем аграрии
поняли, что каждый черенок надо высаживать с жменькой родной земли.
Исследователи
установили, что эффективность использования фосфатов можно повысить, если
инокулировать (заразить) семена раствором бактериальных препаратов, стимулирующих
минерализацию нерастворимых фосфатов и их усвоение корнями растений. По разным
оценкам, грамотное применение микроорганизмов позволит для получения того же
урожая снизить количество удобрений на 40—80 %. Также можно оставить количество
удобрений прежним, но иметь значительно больший урожай. Либо исключить
применение удобрений полностью и получать более органические продукты, если
благодаря применению бактерий-азотфиксаторов получится отказаться также и от
азотных удобрений. По словам ученых, наработка полезных в сельском хозяйстве микроорганизмов
будет иметь достаточно низкую себестоимость, так как бактерии, в отличие от минеральных
удобрений, способны размножаться.
«В нашем обзоре мы
посмотрели с молекулярной точки зрения, какие гены отвечают за солюбилизацию
органических и неорганических фосфатов, а также изучили, какие микроорганизмы
какие кислоты выделяют. Также мы обсудили перспективы использования этих
микроорганизмов в агрокультуре (об этом далеко не всегда пишут в научных статьях),
— отмечает Сергей Седых. — Но основная задача, как мне видится, состоит в том,
чтобы аграрии начали проверять эти культуры в полевых экспериментах, на разных
культурах и в разных регионах. Цель нашего обзора — провести инвентаризацию. С
ней мы справились, впереди поиск полезных бактерий в образцах, которые
присылают в институт “гражданские ученые”».
В следующем году
исследователи планируют начать экспериментальные исследования самых
перспективных из найденных микроорганизмов. Уже отобрано более 30 видов таких
бактерий.