На протяжении последних пяти лет биологические препараты произвели настоящий бум в Европе: крупные концерны по производству средств защиты растений приобрели относительно небольшие компании по производству биологических препаратов за суммы с шестью и более нулями. Но не все так просто. В этом материале речь пойдет о том, какие существуют сдерживающие факторы при использовании биопрепаратов в полевых условиях, и что необходимо учитывать отечественным аграриям.
Бактерии различных родов являются жизненно важными компонентами почв. Они стимулируют рост растений за счет фиксации и мобилизации питательных веществ в почвах, производя многочисленные регуляторы роста, генерируя защиту растений путем выравнивания количества или угнетения фитопатогенов, проводя биоремедиацию загрязненных почв путем секвестра токсичных тяжелых металлов и снижения содержания ксенобиотических соединений (например, пестицидов). Таким образом, растительно-микробные взаимодействия в ризосфере являются детерминантами здоровья растений и плодородия почв, а ризосферные микроорганизмы играют роль доминирующих в рециркуляции питательных веществ в почве.
Именно поэтому различные ризобактерии (Rhizobium, Bradyrhizobium, Pseudomonas, Bacillus, Klebsiella, Azotobacter, Azospirillum, Azomonas) в настоящее время используются во всем мире как модификаторы роста и развития растений: как при оптимальных условиях, так и при влиянии различных стрессов, в частности тяжелых металлов, гербицидов, инсектицидов, фунгицидов, засухи, чрезмерной засоленности и т. д.
Что останавливает отечественных аграриев в применении биопрепаратов?
В отличие от Североамериканского континента и Европы Украина и Молдова до сих пор не могут похвастаться повальной увлеченностью биопрепаратами среди аграриев. И для этого есть свои объективные причины.
Бактериальные препараты способствуют увеличению агрономической эффективности за счет сокращения затрат на производство продукции. При условии, что биопрепараты являются эффективными, использование химических удобрений и средств защиты может быть уменьшено или исключено. Однако эффективность «био» зависит от ряда природных процессов.
Следовательно, аграрию недостаточно просто приобрести биологический препарат и применить согласно инструкции, как это привычно делается в случае с химическими СЗР. Для того чтобы биопрепарат действительно эффективно сработал, необходимо учитывать несколько ключевых факторов.Данный аспект не всегда знаком начинающим производителям и дистрибьюторам.
Рассмотрим 5 ключевых факторов, которые необходимо учитывать при использовании биопрепаратов для гарантии их эффективной работы.
№1. Корневые экссудаты растений
В процессе роста корни растений выделяют в окружающую среду широкий спектр соединений, которые составляют до 40% фотосинтетически фиксированного углерода. Состав корневых выделений (экссудатов) зависит от условий развития растений, его возраста и генотипа и определяет эффективность взаимодействия между растением и бактериями. Согласно этому правилу, микроорганизмы проявляют наибольшую эффективность при взаимодействии с тем растением, из которого были выделены.
Некоторые молекулы корневых экссудатов могут выступать в качестве антимикробных средств против одного организма и служить стимуляторами для создания полезных взаимодействий относительно других. Например, небелковая аминокислота канаванин – аналог аргинина, выделяется в высоких концентрациях многими сортами семян бобовых и выступает в качестве антиметаболитов во многих биологических системах, однако стимулирует адгезию ризобий.
Бензоксазиноиды являются вторичными метаболитами, которые синтезируются злаковыми растениями на ранних стадиях роста. Эти молекулы являются эффективными в защите и аллелопатии (аллелопатия – это свойство одних организмов выделять химические соединения, которые тормозят или подавляют развитие других) растений. Однако количество синтезированных кукурузой бензоксазиноидов и их качественный состав зависят от штамма, которым проводят инокуляцию растения.
Количественные и качественные изменения в составе экссудатов также являются результатом активации биохимических систем защиты растений от стрессов с помощью элиситоров – экзогенных или эндогенных для растения химических соединений, в ответ на которые растения активируют сигнальные системы, что приводит к экспрессии связанных с защитой генов. Биотические и абиотические элиситоры стимулируют защитные механизмы в клетках растений, что значительно увеличивает разнообразие и количество экссудатов.
№2. Конкуренция за колонизацию корней
Поскольку различные экссудаты привлекают большое количество различных микробных популяций, эффективная колонизация корней полезными бактериями зависит от их способности конкурировать с другой микрофлорой. Микробная конкуренция и активность включают в себя моторику, прикрепление, активность роста, стрессоустойчивость и синтез вторичных метаболитов.
Коммуникация бактерий между собой происходит за счет механизма под названием «кворум сенсинг». Кворум сенсинг вовлечен во внутриклеточные механизмы передачи сигналов, координирующих поведение бактерий, колонизацию хозяина, выживание в стрессовых условиях, численность и плотность популяции. Ассоциированные с растением бактерии часто используют этот механизм передачи сигналов для модуляции и координации взаимодействия с растениями. Эта интенсивная молекулярная коммуникация вокруг корней способствует широкому спектру микробных взаимодействий.
№3. Здоровье грунта
Факторы, определяющие здоровье почвы, включают в себя широкий диапазон химических, физических и биологических свойств, таких, как тип почвы, климат, растительное многообразие, использование пестицидов и удобрений, наличие субстратов углерода и питательных веществ, содержание токсичных материалов, а также наличие или отсутствие различных видов микроорганизмов. Поэтому, размер и разнообразие микробного сообщества можно рассматривать как количественную меру здоровья почвы.
Современные методы обработки почв существенно влияют на факторы, определяющие здоровье почвы. Грунтовая агрегация является одним из основных экосистемных процессов, которая непосредственно зависит от обработки почв либо косвенно зависит от влияния биотических и абиотических факторов. Интенсивная культивация изменяет распределение и стабильность почвенных агрегатов, что приводит к потере богатых на углерод макроагрегатов и увеличению обедненных микроагрегатов, а это снижает биомассу доминирующих организмов и провоцирует изменения в физической структуре почвенного субстрата.
Поэтому современные системы обработки почв, включающие no-till и strip-till технологии, несколько нивелируют негативные последствия традиционной обработки, которые приводят к истощению запасов углерода за счет увеличения численности и активности почвенной биоты. Низкая микробная биомасса в пахотных землях как раз и отражает индуцированные обработкой изменения свойств почвы. Таким образом, за счет интенсивного возделывания земель и применения химических удобрений и средств защиты растений снижается микробное разнообразие, что впоследствии приводит к снижению плодородия почв.
Для того чтобы снизить влияние вышеописанных негативных факторов на плодородие почвы, используют, так называемые, биологические деструкторы. Они разлагают пожнивные остатки, возвращая значительную часть питательных веществ обратно в почву. А также снижают бактериальный фон за счет конкуренции за питательную среду.
Поэтому, когда в следующий раз вы будете вносить аммиачную селитру для ускорения разложения растительных остатков, не поленитесь, кроме этого, внести и деструктор на основе гриба Trichoderma. В противном случае вы будете кормить патогены, которые также могут выполнять роль деструкторов. Но при этом, в отличие от Trichoderma, в будущем приведут к заболеванию растений.
№4. Влияние микрофлоры семян
Естественная микрофлора на семенах всегда рассматривается как контаминирующая. Данное естественное загрязнение влияет на выживание микроорганизмов инокулянта, по крайней мере, это актуально для ризобий.
Подавляющее большинство экссудатов, которые выделяются на ранних этапах прорастания семян, способствуют развитию разнообразного микробного сообщества, присутствующего на поверхности семян. Более глубокое понимание особенностей взаимодействия ассоциированной с семенами микрофлоры и инокулянтов обеспечит развитие стратегий для более эффективной обработки семян, что позволит разрабатывать инокулянты с более высоким уровнем колонизации различных растений.
В настоящее время не очень хорошо известны принципы взаимодействия нанесенных на семена микроорганизмов с другими компонентами биоты почвы, однако это имеет огромное влияние на способность инокулянта приживаться в почве и на корнях.
№5. Генотип растений
Ученые предполагают, что микробные композиции почвы модулируются изменениями практики выращивания сельскохозяйственных культур. Поэтому эффективность микробных штаммов-колонизаторов зависит и от растений-предшественников. На способность микроорганизмов к колонизации также влияет генотип растений. Это подтверждается изменениями в структуре микробных сообществ в ризосфере одних и тех же видов растений.
Соответствующие этому растению корневые экссудаты стимулируют развитие специфической группы организмов.
Штаммы также должны соответствовать корневой архитектуре растений: или путем взаимодействия с рецепторами на поверхности корней или путем поддержания количества клеток
в ризосфере под влиянием растений.
Выводы
Использование полезных микроорганизмов становится неотъемлемым компонентом сельскохозяйственной практики. Бактерии уже успешно используются в развитых странах, да и в развивающихся эта практика будет расти. В будущем ожидается, что они заменят химические удобрения, пестициды и искусственные регуляторы роста, которые имеют многочисленные побочные эффекты для устойчивого ведения сельского хозяйства.
Несмотря на то, что для эффективного использования биопрепаратов необходимо учитывать ряд факторов, например: совместимость бактерий и растений, технологии обработки почвы и ее загрязненность химикатами, возможную сильную обсемененность посторонней биотой посадочного материала, переход на биологические удобрения и средства защиты растений является единственным методом повышения урожайности сельскохозяйственных культур при сохранении плодородия почв. Во избежание разочарования от применения «биологии» необходимо просто обращаться к специалистам, которые организуют Вам научное сопровождение и помогут правильно применить биологические препараты.
Некоторые эксперты считают, что в ближайшее время биологические средства питания и защиты могут захватить до 20% мирового рынка удобрений и пестицидов. Таким образом, будущее этой технологии в мире выглядит очень привлкательно. Надеемся, что использование биологических препаратов украинскими аграриями в скором времени станет скорее нормой, чем исключением.
