Бактериальные консорциумы

Новосибирские биологи изучили свойства бактерий, потенциально способных стимулировать рост растений, а также то, как эти бактерии влияют на характеристики почвы и урожайность пшеницы, гречихи и кукурузы. Результаты исследования опубликованы в Microbiological Research и Plants.

Урожайность растений находится в прямой зависимости от того, насколько продуктивно взаимодействуют растения, почва и микроорганизмы, в ней обитающие. С помощью последних растения не только удовлетворяют свои потребности в питательных веществах (азот, фосфор, калий и другие), но и получают защиту от фитопатогенов. Бактерии сегодня рассматривают как перспективный ресурс для создания биоудобрений, которые смогут стимулировать рост растений и повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Такой подход считается экономически выгодным, кроме того, это позволит значительно снизить использование агрохимикатов и перейти к органическому земледелию.

Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в сотрудничестве с коллегами из Института почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирского государственного аграрного университета и Новосибирского государственного университета решили выяснить, какие характеристики бактерий являются наиболее важными для выбора штаммов, которые можно использовать в качестве биоудобрений. Исследователей интересовало не только влияние бактерий на рост и продуктивность растений, но и то, как эти бактерии воздействуют на содержание питательных веществ в почве.

В исследовании использовались бактерии из образцов почвы, собранных в ходе гражданского научного проекта «Атлас почвенных микроорганизмов России» в четырех регионах нашей страны: Московской, Новосибирской областях, в Якутии и на Сахалине. Образцы (пять граммов) помещали в индивидуальные полиэтиленовые пакеты и отправляли почтой в ИХБФМ СО РАН, где из них уже выделяли бактерии ученые.

«Изначально мы получили 378 штаммов бактерий. Из них отбирали те, которые потенциально воздействуют на рост растений. Нас интересовала способность к азотфиксации, фосфатсолюбилизации (то есть растворению фосфатов) и продукция сидерофоров (вещества, которые позволяют бактериям захватывать железо). Кроме того, мы смотрели антигрибковый и противофитопатогенный эффект. Таким образом было отобрано 17 штаммов, которые показали наилучший результат», — рассказывает заведующая группой молекулярной генетики ИХБФМ СО РАН кандидат биологических наук Елена Николаевна Воронина. 

Затем из отобранных бактерий ученые составляли консорциумы и изучали взаимодействие разных штаммов внутри одного консорциума в чашке Петри.

«Наша цель — собрать такой набор бактерий, который, во-первых, мог бы стабилизировать сам себя (чтобы штаммы внутри консорциума помогали друг другу выживать), а во-вторых, работал на очень высоких уровнях во всех выбранных областях: азотфиксации, фосфатсолюбилизации, продукции сидерофоров, оказывал противогрибковое воздействие. Есть предпосылки считать, что так будет эффективней, чем если бы мы использовали только одну бактерию», — отмечает научный сотрудник ИХБФМ СО РАН кандидат биологических наук Екатерина Алексеевна Соколова.

На следующем этапе исследования все 17 штаммов в различных консорциумах были помещены в качестве биоудобрений в горшки вместе с семенами пшеницы, гречихи и кукурузы. Цикл выращивания проводился в условиях улицы. Когда пришло время собирать урожай, ученые измеряли длину и вес растений, а также массу зерна.

После настала очередь полевого эксперимента, в ходе которого исследователи смотрели, как 20 вариантов бактериальных консорциумов влияли на показатели урожайности пшеницы, гречихи и кукурузы и микробиом почвы в открытом грунте. Специалисты ИПА СО РАН анализировали воздействие этих консорциумов на характеристики почвы. «Практически любой консорциум приводил к тому, что в почве увеличивалось количество азотфиксаторов. У нас есть гипотеза, которую мы будем проверять в следующих экспериментах, что это зависит либо от хорошей работы фосфатсолюбилизаторов, либо от производителей сидерофоров. То есть имеет место некий синергетический эффект», — рассказывает Екатерина Соколова.

«С помощью этих исследований мы хотим понять логику, как правильно составлять бактериальные консорциумы. Обычно в сельскохозяйственных препаратах используют либо отдельную бактерию, либо всё сразу. Однако чем больше микроорганизмов ты помещаешь в удобрение, тем дороже оно становится. Желательно применять минимум бактерий, но такой, чтобы он был оптимальным. В целом это могут быть и просто рекомендации: если вы используете азотобактерии, обязательно добавляйте в почву фосфорные удобрения, и тому подобное», — комментирует Елена Воронина.

В качестве конечного результата этого глобального эксперимента ученые видят создание алгоритма сбора консорциумов в зависимости от типа почвы и возделываемой сельскохозяйственной культуры.

«В идеале промышленный производитель говорит: у меня почвы такого-то типа, я хочу выращивать пшеницу, соответственно, мне нужны бактерии с такими и такими свойствами. Смотрит по базе, какие бактерии отвечают за эти свойства, какие фирмы производят эти комбинации, и заказывает препараты у них. Сейчас этот результат труднодостижим, но имеет смысл работать в его направлении, чтобы было какое-то понимание, а не просто стохастическое внесение всего во всё с большими ресурсовложениями», — отмечает Екатерина Соколова.

По словам ученых, бактериальные удобрения не наносят значительного вреда экосистемам. Если вносить в больших количествах минеральные удобрения, впоследствии они вымываются и наносят вред окружающей среде. Почвенные же микроорганизмы, во-первых, изначально выделены из земли (и поэтому органичны для нее), а во-вторых, очень чувствительны к состоянию почвы. Если сильно сдвинется pH или произойдет что-то еще подобного масштаба, они сами умрут. «К тому же есть такая теория: то, что мы вносим в почву, в ней сильно долго не живет, потому что собственный микробиом почвы будет подавлять это. Однако в тот момент, когда мы внесли удобрения, они оказывают влияние на растение и дают положительный эффект», — объясняет Елена Воронина.

Диана Хомякова