Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Новосибирского государственного университета провели научный обзор разнообразия почвенных микроорганизмов, минерализующих фосфаты. Исследователи изучили биохимические и молекулярно-биологические механизмы этого процесса, а также оценили потенциальную роль микроорганизмов в качестве естественных биоудобрений в растениеводстве. Результаты исследований представлены в специальной статье для спецвыпуска Plant Growth Promoting Bacteria («Бактерии, стимулирующие рост растений») журнала Plants.
— 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. С 2019 года, когда стартовал проект, в коллекции ИХБФМ СО РАН появилось уже несколько десятков бактерий, улучшающих рост растений, собранных при участии детей. В этом году мы должны собрать десять тысяч образцов почвы и микроорганизмов, поместить их в коллекцию и нанести на карту, — рассказывает кандидат биологических наук, научный сотрудник ИХБФМ СО РАН, старший преподаватель Института медицины и психологии В. Зельмана НГУ Сергей Седых.
Почвенные фосфатсолюбилизирующие бактерии мобилизируют фосфат двумя путями. Одни секретируют органические кислоты, например, лимонную кислоту, компонент цикла Кребса, высвобождающие неорганические фосфаты, скажем, в скальных породах и вулканическом пепле. Если обработать пепел такими бактериями, может получиться отличное удобрение, особенно востребованное там, где вулканического материала очень много, например, на Камчатке. Так, по первичным данным камчатских аграриев, использование вулканического пепла при удобрении растений позволило им на 30 % повысить урожайность картофеля и других культур.
Второй тип фосфатсолюбилизирующих бактерий выделяет наружу ферменты, отщепляющие органические фосфаты. Это, например, позволяет извлекать фосфаты из фитина – сложного органического препарата фосфора, содержащего смесь кальциевых и магниевых солей различных инозитфосфорных кислот, – котрого очень много в почве, гумусе, перегное. Ферменты бактерий режут такие фосфаты и превращают в удобоваримые для растений.
Третий вид полезных для сельского хозяйства бактерий синтезирует сидерофоры – особые органические соединения, выделяемые бактериальными клетками для самообеспечения 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.
Исследователи также установили, что эффективность использования фосфатов можно повысить, если 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.
— 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 кандидат биологических наук, младший научный сотрудник ИХБФМ СО РАН Анна Тимофеева.
Сергей Седых также подчеркнул, что, помимо научного интереса, данное исследование способно помочь аграриям на практике, поскольку выявленные культуры микроорганизмов, взаимодействующие с органическими и неорганическими фосфатами и выделяющие те или иные кислоты, должны проверяться специалистами в полевых экспериментах, на разных культурах и в разных регионах. Именно поэтому следующая задача, которой займутся ученые, – это поиск полезных бактерий в образцах, которые присылают в ИХБФМ СО РАН «гражданские ученые».
Подготовлено по материалам издания «Наука в Сибири».
