Темпи по нарощуванню агровиробництва істотно сповільнилися і не встигають за зростанням попиту. Очевидна потреба в інноваціях, які б змінили спосіб виробництва продовольства і зробили його більш стійким. Нове покоління вчених хоче використовувати дію природних бактерій для вдосконалення сільського господарства. Генетика допомагає істотно просунутися в дослідженні мікробів, які живуть практично повсюдно.
Так як нові дані про мікроорганізми, які існують в тілі людини, зробили революцію в медицині і дали початок нової індустрії прибутків, так само вони можуть викликати революцію і в сільському господарстві.
Замінюємо хімію біологією: сила мікробів
У природі рослини еволюціонують разом з мікробами, що живуть в прикореневій зоні, на листках і навіть всередині рослинних клітин. Рослини забезпечують мікроби поживними речовинами в формі вуглецю, а мікроби, в свою чергу, роблять поживні речовини доступними для рослин і допомагають останнім запобігти захворюванням. Але коли люди почали вносити все більше і більше хімікатів на поля і орати землю, вони зруйнували тісний зв'язок рослин з мікробами, знищивши багато корисних мікроорганізмів.
Кілька років тому ад'юнкт-професор Університет штату Колорадо Меттью Валленштейн вирішив використовувати свої знання про грунтових мікроби для поліпшення землеробства. Серед іншого, його надихнув несподіваний успіх лікарів у використанні матеріалу з людських фекалій для лікування хронічної та часто смертельної бактеріальної інфекції - псевдомембранозного коліту, що викликається бактеріями Clostridium difficile. Шляхом простого переселення фекальної мікробіоти від здорової людини хвороба була вилікувана. Чи зміг би працювати подібний підхід в сільському господарстві?
«Мікроби важливі для будь-якого агроценозів. - каже Валленштейн. - Навіть якщо ми розробили неймовірно продуктивні системи господарювання, дані досліджень свідчать про те, що ми маємо більше можливостей для вдосконалення, збагачуючи мікробіоту ».
Разом зі своїм колегою в Університеті штату Колорадо доктором Коліном Беллом він почав розробляти мікробіологічну технологію підвищення доступності фосфору, критично необхідного рослинам для росту. У сільському господарстві вносять фосфорні добрива, однак при цьому до 70% фосфору пов'язується грунтовими частинками, вони стають недоступним для рослин. Рослинам важливо отримати елементи живлення, причому саме тоді, коли вони в них потребують. Один із способів досягти цього - використовувати корисні мікроорганізми.
Мікроби можуть розблокувати фосфор і мікроелементи, роблячи їх доступними для рослин. В Університеті штату Колорадо розробили комбінацію 4 бактерій, які виключно добре зробили фосфор доступним для рослин, завдяки чому рослини виростали великими і здоровими. Бактерії роблять це, виробляючи спеціальні молекули, які розривають зв'язку між фосфором і частинками грунту. Щоб надати цю технологію фермерам, була створена компанія Growcentia, першим препаратом якої став Mammoth P.
З кожним роком все більше дослідників вважає, що мікроби допоможуть нагодувати світ. З'явилося чимало подібних стартапів: AgBiome, Indigo, Maronne Bioinnovations і New Leaf Symbiotics. Роль біопрепаратів в сільському господарстві буде рости в міру інвестицій в їх розробку і впровадження. Згідно з деякими прогнозами, очікується збільшення вкладень в дослідження і розробки в цій галузі на 20% в порівнянні з 2016-м роком.
Найбільші в світі сільськогосподарські компанії теж багато інвестують в біопрепарати. Наприклад, Monsanto зараз інвестує $ 300 млн в об'єднання з біотехнологічної компанією NovoZymes.
«Наш двокомпонентний препарат Vault HP plus Integral утворює симбіотичні зв'язку з соєю. - каже Джастін Кларк, технічний маркетинг-менеджер по захисту рослин американського підрозділу BASF. - Ми покриваємо насіння високою концентрацією бактерії ризобії, завдяки чому рослина формує більше бульбашок і засвоює більше азоту ».
Компанія BASF протягом наступних 5 років планує висновок на ринок не менше 4 нових біопрепаратів.
Чому транснаціональна компанія входить в мікробіологічну галузь? Частково хімічний гігант визнає проблеми, створені «хімічним» сільським господарством, і хоче зберегти свої позиції і в майбутньому. Очевидно, BASF відчуває потенційні доходи від надання фермерам нових інструментів, щоб виробляти продовольство ефективніше і з меншим впливом на нашу планету.
Growcentia зосереджується на грунтових мікроорганізмів, що підвищують ефективність використання і засвоєння елементів живлення, але мікроби допомагають сільському господарству і іншими способами. Деякі компанії працюють над створенням продуктів на основі мікробів, знижують стрес рослин від посухи, спонукаючи їх шляхом «обману» продовжувати зростання навіть в умовах посухи. Біопрепарати допомагають впоратися рослинам зі стресом, вводячи їх в оману - ніби вони піддалася атаці. Це включає природні захисні сили, які допомагають рослині пережити стрес від спеки або посухи.
Так, фірма Verdesian Life Sciences хоче додатково допомогти культурним рослинам пережити стрес за допомогою бактерії, яка раніше не використовувалася біопрепаратах. «Є бактерія під назвою Pseudomonas fluorescens, яка діє, як гербіцид, контролюючий один з видів костреца (Bromus tectorum - рус. Багаття покрівельний), який в США є одним з найбільш агресивних бур'янів, зокрема, пшениці», - розповідає віце-президент з технологічного розвитку Verdesian Life Sciences Сем Вілсон.
Фірми Marrone Bio Innovation і Groundwork BioAg тільки що запустили першу чисто біологічну технологію оздоровлення насіння.
За допомогою біопрепаратів можна стимулювати і більш ранній ріст рослин. Так, деякі біопрепарати прискорюють укорінення розсади.
Але, мабуть, найбільш привабливою можливістю виглядає контроль шкідників без застосування хімічних ЗЗР. Біопрепарати можуть витісняти шкідників, завдаючи їм шкоди, зупиняючи їх зростання тощо.
Конкуренція означає, що мікробіота біопрепаратів витісняє шкідливі мікроби. В антибіотиках в зростання або активність шкідників втручаються метаболіти. Це вбиває шкідників або нейтралізує їх, порушуючи природний розвиток.
Мікроорганізм зіштовхує два організму в смертельній битві один з одним. Якщо заселені за допомогою біопрепарату організми виживають - урожай захищений.
Мікроби можуть навіть впливати на час цвітіння. Можливості нескінченні!
нарощування масштабів
Корисні мікроби використовують в сільському господарстві тривалий час. Фермери десятиліттями вносять азотфиксирующие бактерії на бобові та симбиотический гриб мікоризу, що допомагає рослинам засвоювати елементи живлення. Але багато давніші продуктів містять невизначені комбінації мікробів і мають широкий перелік умов, від яких залежить ефективність їх дії. Багато хто називає їх сільськогосподарським плацебо. Тому важко переконати фермерів застосовувати наступне покоління препаратів на основі корисних бактерій.
«До сих пір ми могли спостерігати і досліджувати тільки ті мікроби, яких було легко культивувати в лабораторії за допомогою традиційних технологій - зовсім невелику частину з усього розмаїття мікроорганізмів. Але зараз в нашому розпорядженні є нові методи розвитку мікробіологічної технології, які точно націлені на спеціальні властивості. Це дослідження генів методом секвестрування або дослідження їх властивостей шляхом скринінгу з високою пропускною здатністю для виявлення мікроорганізмів з потрібними характеристиками. Ми можемо піддавати мікроби генної інженерії, щоб виводити нові штами з потрібними характеристиками. Ми можемо навіть синтезувати абсолютно нові види з набору існуючих мікроорганізмів », - пише Валленштейн.
Одна справа вирощувати корисні мікроби, які покращувати ріст рослин в експериментальних теплицях. Впроваджувати біопрепарати, які можуть вироблятися у великих масштабах, транспортуватися і зберігатися в робочих умовах протягом тривалого часу і будуть працювати безвідмовно в різних грунтово-кліматичних умовах - набагато більший виклик. З цієї точки зору у багатьох продуктів попереду ще довгий шлях від пробірки до поля.
мікробний світ
Коли люди думають про мікроби, їх уяву відразу малює бактерії і хвороби. Але більшість мікробів корисні, і ми буквально не можемо жити без них. Ми занадто довго ігнорували користь здорової мікробіоти в сільському господарстві. Швидке зростання інтересу до мікробів, корисних для сільського господарства, викликає захоплення і віщує майбутнє, де сільське господарство менш залежить від хімікатів. Майбутнє продовольчої галузі - у нас під ногами, в невидимому світі мікроорганізмів.
Єдине, що ефективність біопрепаратів залежить від типу грунту, організму і погодних умов. А при прийнятті рішення слід керуватися тим, чи варті локальні результати і витрати очікуваного приросту урожайності.
Переклад Богдан Малиновський, [email protected]
за матеріалами theconversation.com і agweb.com
Чи зміг би працювати подібний підхід в сільському господарстві?Чому транснаціональна компанія входить в мікробіологічну галузь?
