Баланс для выживания.
Урожаи сельхозкультур, возможно, уже достигли предельного уровня. Если дальше увеличивать урожайность невозможно, надо сокращать потери, которые на этапе выращивания могут составлять от 10 до 25%. Результаты исследования микробиоты, возможно, станут основой для принципиально новых подходов к защите растений и снижению потерь урожая.
Грибы и другие нитчатые микробы, называемые оомицетами, вызывают разрушительные болезни растений и несут ответственность за более чем 10% всех потерь урожая. Новые исследования показывают, что даже здоровые растения содержат потенциально вредные грибы и оомицеты. Но почему тогда не все растения заболевают? Возможно, все дело в одновременном присутствии широкого спектра различных бактерий, которые регулируют баланс между микроорганизмами в корнях и таким образом обеспечивают выживание растению. Таковы выводы исследования, опубликованного в журнале CELL. Исследование проводилось под руководством Стефана Хаккарда и Пола Шульце-Леферта из Института исследований селекции растений Макса Планка в Кельне (Германия).
Почва содержит огромное разнообразие микробных организмов, таких как бактерии, грибы и оомицеты. Известно, что эти микробы вступают в сложные взаимодействия друг с другом, и небольшое множество, которое называется «корневой микробиотой», способно колонизировать корни здоровых растений. Сложная врожденная иммунная система защищает растения от многих вредных микробов, но остается неясным: достаточно ли одного этого механизма для полной защиты растений в природе? До сих пор мало что известно о взаимодействии между членами микробиоты и их влиянию на здоровье растения.
Исследовательская группа ответила на эти вопросы, выполнив сначала «перепись» различных микробов, связанных с корнями и окружающей почвой здорового модельного растения Arabidopsis thaliana (небольшое цветковое растение семейства капустных) из разных географических мест. «Перепись» показала: связанные с корнями грибковые и оомицетальные сообщества имеют большие различия, а бактериальные сообщества имеют более сходную структуру, что указывает на важные функции для этих корневых бактерий. Кроме того, авторы обнаружили потенциальные признаки взаимного исключения бактерий и нитчатых микробов в корнях, что предполагает конкуренцию за доступ к корневой нише.
Чтобы более тщательно изучить, конкурируют ли эти различные микроорганизмы в корнях растений, исследователи сначала деконструировали микробиоту здорового Arabidopsis thaliana путем создания чистых культур связанных с корнями отдельных бактерий, грибов и оомицетов. Затем, используя метод реконструкции, они вводили различные комбинации бактерий, грибов и оомицетов в растения, не содержащие микробов, чтобы проверить влияние этих различных групп на здоровье растений. Ученые наблюдали, что выживание растений в присутствии грибов и оомицетов полностью зависит от одновременного присутствия бактерий. Эти бактерии способствуют здоровью растений, ограничивая рост грибков и оомицетов в корнях. Более того, нескольких отдельных бактерий было достаточно для защитной активности.
«Мы продемонстрировали, что одной иммунной системы растений недостаточно для защиты от грибков и оомицетов и что бактерии, связанные с корнями, обеспечивают расширенную иммунную функцию, которая необходима для выживания растений в природе», — говорит доктор Хаккард. Выводы авторов могут способствовать рациональному проектированию пробиотических бактерий или бактериальных сообществ, которые гарантируют здоровье сельскохозяйственных культур. В настоящее время группа намерена определить: какие гены и молекулы участвуют в этой защитной функции бактерий.
Потенциал микробиологии
Детальное изучение микроорганизмов, которые живут внутри, на поверхности и вокруг растений, становится важным направлением исследований во многих странах. По данным Американской академии микробиологии, в течение последующих 20 лет применение решений в области микробиологии для обеспечения здоровья растений может повысить производительность сельского хозяйства на 20% и при этом станет возможным сократить использование пестицидов и удобрений.
Впрочем, пока эти цифры воспринимаются как некая цель, к которой можно будет прийти в будущем. Практика показывает, что эффективность того или иного бактериального препарата часто отмечается только на конкретной культуре или даже сорте. И не гарантирует положительный эффект на других культурах и сортах. Создание «универсальных» препаратов для разных сортов или культур отложено на будущее.
Параллельно ведутся исследования, создаются новые микробные препараты. Рынок сельскохозяйственных микробиологических препаратов в 2017 году составлял 3,09 млрд долларов, а к 2022 году он достигнет 601 млрд долларов. Ограничение применения пестицидов, рост сегмента органических продуктов, экологические требования являются основными факторами, способствующими росту этого рынка во всем мире. Сам рынок микробиологических препаратов уже сегментировался на препараты, полученные посредством использования бактерий, грибков, вирусов и простейших организмов. По оценкам экспертов, наибольшая доля рынка пока приходится на Северную Америку, но по прогнозам Евросоюз будет стремительно расти на рынке сельскохозяйственных микробиологических препаратов в течение следующих пяти лет.
Впрочем, у производства микробиологических препаратов есть факторы, сдерживающие его дальнейший рост. Одним из таких факторов является более короткий срок хранения с соблюдением определенных условий и меньшая устойчивость в поле к осадкам в сравнении с химическими продуктами. Микробиологические растворы имеют срок хранения от 6 до 24 месяцев. Для сравнения: обычные пестициды могут храниться 2-4 года.
Тем не менее, перспективы у микробиологических технологий защиты сельхозрастений достаточно привлекательные. Большинство крупных игроков рынка химических средств защиты растений активно инвестируют в исследование и производство микробиологических препаратов.