Решение национальной программы поднятия продуктивности и эффективности животноводства невозможно без создания надежной кормовой базы, которая во многом определяет качество и цену производимой продукции.
В данном выпуске журнала представлены самые различные достижения в области кормопроизводства. Все они основаны на глубокой фундаментальной работе и широкой практике их применения. Мне, как микробиологу и генетику, представляется целесообразным обратить внимание читателя на сравнительно мало используемый резерв в кормопроизводстве – микроорганизмы, живущие в тесном контакте с растениями.
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии предлагает научно обоснованный и подтвержденный многолетней практикой, а потому реальный способ оптимизации производства сельскохозяйственной продукции и сохранения почвенного плодородия. Этот способ – направленное регулирование почвенно-микробиологических процессов.
За последнее время во всем мире, в том числе и в России интерес к проблемам микробиологии в сельском хозяйстве неизмеримо вырос. Удалось значительно расширить и углубить представления о роли микроорганизмов в жизни растений и сформулировать приоритетные практические задачи по сокращению объемов применения азотных и фосфорных удобрений при выращивании растений, замене ядохимикатов на микробиологические препараты, защите растений от природных и техногенных стрессов.
5 млрд в 1 грамме
Такие технологии преимущественно основаны на использовании микробных препаратов, включающих живые клетки отселектированных по полезным свойствам микроорганизмов. Эти препараты позволяют создать огромную концентрацию полезных форм микроорганизмов (в грамме препарата содержится до 1-5 млрд клеток бактерий) в нужном месте и в нужное время, которые успешно конкурируют с аборигенной микрофлорой почвы, активно заселяя корневую систему растений.
В процессе взаимодействия происходит интеграция генетических систем микроорганизмов и растений. Особенно глубоко это было исследовано на модели «клубеньковые бактерии – бобовые растения». Процесс становления симбиотических взаимоотношений – это экологический процесс, протекающий в почве, поэтому по-чвенные условия должны обеспечивать возможность прохождения сигналов между растениями и бактериями.
Единый геном и фиксация азота атмосферы
В восприятии бактериальных сигналов у растения принимают участие сотни генов, которые работают в единой последовательности, что впервые было установлено в нашем институте. Последовательное включение симбиотических генов растений отражает онтогенез симбиоза, в результате которого развиваются симбиотические структуры. Процесс образования этих структур протекает под контролем одновременно бактериальной и растительной генетических систем, работающих как единое целое, что позволяет говорить о функционально интегрированном едином геноме симбиотической системы. Такая система контролирует выработку надорганизменных признаков, которыми не обладали ни бактерии, ни растения, взятые отдельно. В данном случае речь идет о способности фиксировать молекулярный азот атмосферы.
Какие гены бактерий влияют на азотфиксацию
По способности фиксировать молекуляроный азот симбиотические системы бобовых значительно различаются между собой (от 100 кг на 1 га в год у гороха – до 400-600 кг у бобовых трав). Однако высокая эффективность азотфиксации может быть достигнута только в том случае, если будет соблюдаться ряд экологических требований. Важнейшим из них является наличие эффективного штамма клубеньковых бактерий, способного в условиях конкуренции со стороны аборигенных бактерий захватывать места образования клубеньков и формировать эффективно работающий симбиотический аппарат. В результате работы генетиков удалось описать целый ряд генов бактерий, контролирующих процесс симбиотической азотфиксации и конкурентоспособность бактерий, а также энергетические характеристики процесса и т.д. Отсюда возникла воз-можность селекции наиболее эффективных штаммов с использованием самых современных методов передачи и рекомбинации генетического материала.
Тысяча генов активизируется от контакта с микроорганизмами
Не менее важны для взаимодействия и свойства симбиотических генов растений. Общее их число неизвестно, однако косвенные данные указывают, что до тысячи генов растений могут активироваться в результате контакта с микроорганизмами. Их описание и расшифровка еще далеки от завершения, но уже сейчас можно заключить, что растение обладает эффективной системой, позволяющей контролировать судьбу бактерий от узнавания и проникновения в корень до трансформации их в азотфиксирующий бактероид. В отдельных случаях, когда требуется особенно строгая специфичность, комбинации определенных генов бактерий позволяют направленно модифицировать подаваемый сигнал, который соответствует и модифицированному рецептору растений. В этих случаях удается получить такие микробно-растительные системы, которые не зависят от конкуренции со стороны аборигенной микрофлоры. Это особенно важно для районов традиционного возделывания бобовых культур, эффект от инокуляции которых значительно уступает таковому для культур в новых районах возделывания.
Затраты растения на азотфиксацию минимизируются
Использование более поздно работающих генов растений для оптимизации процесса симбиоза также весьма продуктивно, хотя и не так очевидно. Исследования генетических ресурсов растений в отношении взаимодействия с микроорганизмами показали, что дикие формы обладают несравненно более высокими потенциями в этом отношении. Современные же сорта бобовых зачастую предпочитают удовлетворять свои потребности в азоте за счет минеральных соединений, а не биологической фиксации азота. В результате совместной работы микробиологов и растениеводов уже реализуются программы селекции, включающие и отбор на максимальное эффективное взаимодействие – минимизацию затрат растения на фиксацию и усвоение молекулярного азота.
Образование клубеньков регулируется растением
Среди всех генов бобовых, принимающих участие во взаимодействии с микроорганизмами, едва ли не самыми важными являются факторы, которые обеспечивают системную регуляцию азотфиксации. Данный признак необходим растению только в условиях дефицита азота. До сих пор не ясно, каким образом растение определяет азотный статус почвы. Нами совместно с датскими исследователями определены возможные механизмы, отвечающие за анализ экологической обстановки. Показано, что в случае, если количество азота в почве превышает определенный уровень, из верхней части растения поступает сигнал, тормозящий образование клубеньков, растение переходит на питание минеральным азотом.
Бобовые – накопители или потребители азота?
Из сказанного следует, что преимущество бобовых по способности к накоплению азота реализуются только в том случае, если в почве обеспечивается необходимые условия, способствующие клубенькообразованию. Несоблюдение этого требования приводит к тому, что бобовые из накопителей азота становятся его потребителями. В то же время эффективность использования минерального азота у бобовых намного ниже, чем, например, у злаковых.
Наши знания о регуляции азотфиксации могут быть востребованы в случае выращивания смешанных посевов. Если мы научимся отключать механизм, тормозящий образование клубеньков в присутствии минерального азота, то его почвенные ресурсы будут использоваться злаковым компонентом, а бобовые со перейдут на молекулярный азот атмосферы.
Препараты для азотфиксации
Применение микробиологических препаратов для бобовых, как видно, требует специальных технологий выращивания, ориентированных на максимальное использование преимуществ биологической азотфиксации.
В настоящий момент выпускаются препараты, набор которых охватывает все практически значимые бобовые, возделываемые сейчас в России. Все штаммы бактерий, на которых готовятся препараты «ризоторфина» прошли многократные конкурсные испытания во многих точках нашей страны в многофактор ных экспериментах. Производство препаратов организовано на ряде заводов в нашей стране, среди которых ведущим является Экспериментально производственное предприятия ВНИИСХМ «Экос». Имеющиеся мощности позволяют удовлетворить значительную часть спроса на микробные препараты, однако для заполнения потенциального рынка требуются новые производства, создание которых наш институт готов организовать совместно с заинтересованными партнерами.
Микробные препараты из трех-четырех компонентов
Взаимодействие бобовых и клубеньковых бактерий является наиболее изученным. Вместе с тем доказано, что до 80% всех растений вступает в симбиоз с микоризными грибами. Следовательно, вскрытые генетические системы симбиоза имеют отношение практически ко всей современной флоре.
Результаты изучения микробно-растительного взаимодействия позволяют разработать и воплотить на практике методологию создания в почве многокомпонентных систем, максимально воспроизводящих природные связи агрофитоценоза. Таким средством должны стать трех- и четырехкомпонентные микробные препараты, включающие клубеньковые бактерии, микоризные грибы и так называемые ассоциативные ризосферные бактерии. Экспериментальные образцы таких препаратов в настоящий момент еще испытываются, однако ассоциативный симбиоз уже широко используется в практике.
Ассоциативное взаимодействие
В случае ассоциативного симбиоза на корнях растений не создается новых видимых структур, однако на поверхности корней в строго определенных местах формируются колонии ризосферных бактерий, которые способны обеспечить для растения целый ряд полезных функций таких как:
- ассоциативная азотфиксация в размере до 50 кг азота на гектар в год;
- выработка растительных гормонов;
- оптимизация усвоения фосфорных труднодоступных соединений;
- индукция системной реакции по защите от фитопатогенов;
- ограничение (биоконтроль) роста фитопатогенов на корнях растений;
- подавление стрессовых реакций у растения;
- регулирование поступления загрязнителей окружающей среды в растения.
В последнее время на базе ассоциативных бактерий, которые способны к активному заселению корней, создано ряд препаратов.
Ассоциативное взаимодействие не столь строго специфично, как симбиоз, и разные растения способны культивировать на своих корнях одни и те же группы микроорганизмов. Это значительно расширяет спектр применения таких микробных препаратов, однако их использование имеет определенные особенности.
Дело в том, что названный выше комплекс полезных свойств может быть присущ в различных комбинациях одному виду бактерий. Разные виды отличаются между собой по степени выраженности данных свойств. Поэтому, максимальный эффект от применения микробиологических препаратов ассоциативных бактерий можно получить путем тщательного подбора тех из них, которые обладают наибольшей выраженностью ожидаемых свойств.
Микробиология – селекции
Достижения микробиологи позволили по-новому поставить вопрос и о стратегии селекции растений. Современные селекционные программы кормовых культур должны включать отбор по таким признакам, как способность взаимодействовать с полезной почвенной микрофлорой. Наиболее активно в этом плане работают селекционеры Всероссийского института кормов, в котором программа создания микробно-растительных систем уже практически реализуется.
Открывая данный специализированный номер журнала, хочется надеяться, что он станет руководством для всех, кто заинтересован в укреплении кормовой базы отечественного животноводства.
