Удобрения будущего: как ученые ЮФУ способствуют выживанию растений в экстремальных условиях
Новый разрабатываемый учёными ЮФУ экологичный подход основан на биоинженерии для управления системой микробиома «почва-растение». Добавки к почве, такие как биоуголь, являются благом для улучшения системы микробиома почвы и растений.
Из-за большого влияния агрохимикатов биотические и абиотические стрессы в эпоху изменения климата резко влияют на здоровье почвы. Стресс, вызванный засухой, негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур, часто приводит к дефициту продовольствия. Растения обладают сложными метаболическими системами, способными противостоять засухе, однако их способности не всегда позволяют успешно справиться с внешними факторами. Внедрение экологически чистых внешних добавок может существенно увеличить рост и повысить продуктивность засухоустойчивых растений.
Над решением этой проблемы трудится коллектив Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского ЮФУ, в том числе ведущий научный сотрудник Вишну Д. Раджпут. По его словам, микробиом почвы и растений обладает значительным потенциалом для того, чтобы служить основным компонентом продовольственной безопасности за счёт снижения вредоносного влияния, вызванного засухой. В недавнем исследовании, результаты которого опубликованы в журнале «Environmental Geochemistry and Health», Вишну выявил, что ризосферный микробиом (корневой микробиом; динамичное сообщество микроорганизмов, связанных с корнями растений) меняет «правила игры» на пути к восстановлению функционирования почвы, регулируя круговорот питательных веществ, разлагая органическое вещество, определяя структуру почвы, подавляя стрессы растений и поддерживая их продуктивность. Добавление микробов и биоугля улучшило свойства почвы и повысило доступность питательных для усвоения растениями веществ.
Ранее команда ученых уже производила различные виды биоугля в лабораторных и модельных экспериментах. В этот раз они исследовали пользу биоугля в почвенной системе. Благодаря пористой структуре биоуголь обеспечивает среду обитания для микробов и создает питательные вещества для их функционирования. Идея заключается в том, чтобы использовать биоуголь для повышения функциональности ризосферных микробов, что улучшит биологические и химические свойства почвы.
«Внесение биоугля, толерантных микробов и микоризных грибов улучшает микробную функциональность почвы и способствует росту растений. Ризобактерии и микоризные грибы, стимулирующие рост растений, продемонстрировали фитостимулирующее поведение, которое поддерживает рост растений даже в засушливых условиях. Применение биоугля активизировало все эти механизмы и обеспечило лучшую среду обитания для роста. Мы использовали микоризные грибы (корневые симбионты). Они обеспечивают растение-хозяина питательными веществами, такими как фосфаты и азот», — рассказал ведущий научный сотрудник Академии биологии и биотехнологии Д.И. Ивановского ЮФУ Вишну Д. Раджпут.
Данная работа была подготовлена командой Международной лаборатории нанобиотехнологий ЮФУ совместно с индийскими коллегами (Университет Веер Бахадер Сингх Перванчал). В рамках нее ученые занимались редактированием генома CRISPR/Cas9 [прим. новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий]. Опираясь на опыт в генетическом редактировании микробов, о чем, например, свидетельствует метагеномное исследование различных типов почв, которые сравнили с микробным сообществом заповедной целины совместно с Пущинским институтом микробиологии, в данном проекте ученые ЮФУ применили метод дробовика (Shotgan секвенирования). Он предполагает случайное разбиение генома на небольшие фрагменты ДНК, которые секвенируются индивидуально. Именно этот метод исследователи планируют развивать на базе лаборатории и уже внедряют в свои научные проекты. Так, с помощью этого метода появилась возможность редактировать геномы ризосферных микробов для улучшения их свойств и устойчивого развития в условиях засухи. Это важно, поскольку такие микробные сообщества чрезвычайно важны для улучшения здоровья и плодородия почвы.
«Наша группа эффективно работает с различными типами биоугля: биоугольными композитами с наноматериалами и биоуглем, интегрированным с эффективными микробами. В этой работе мы используем биоуголь для повышения функциональности почвенного ризосферного микробиома, микробов, которые находятся ближе к корневой зоне растений. Активизация деятельности этих микробов корневых зон увеличила доступность основных элементов для растений, что привело к улучшению роста растений. Это — биоинженерный подход к устойчивому развитию ризосферного микробиома. Мы уже выяснили, что биоуголь, включая нанобиоуголь, обеспечивает лучшую среду обитания для микробной функциональности и развития колонии», — подчеркнул Вишну Д. Раджпут.
Консорциум ризобактерий и микоризных грибов, стимулирующих рост растений, в биоугле может быть применен непосредственно в почве, так как использование биоугля уменьшает количество последствий изменения климата. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что биоуголь использует биомассу таким образом, что углерод удерживается и хранится, в отличие от прямого сжигания. Успех этой технологии зависит от различных факторов окружающей среды, степени засухи и температур, климатических условий и типов почв, а также от растительности и применения удобрения. Тем не менее консорциум микробов, интегрированных в биоуголь, может быть применен на полевом уровне с наибольшей эффективностью и производительностью.
Разработка передовых научных подходов, технологий и стратегий по охране и восстановлению почвы – важная задача стратегии ЮФУ в рамках Программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»). Данные исследования ведутся в рамках реализации проекта ЮФУ «Управление почвенными ресурсами и агроклиматология».
Текст: Дарья Белокудренко, ред: Юлия Сопрунова