Биологи Ярославского государственного университета нашли экологичный способ повысить урожайность сельскохозяйственных культур
Исследователи научно-образовательной лаборатории молекулярной генетики и биотехнологии ЯрГУ создали базу микроорганизмов. База содержит полное описание и свойства более 100 штаммов ассоциативных бактерий. Препараты на ее основе смогут заменить привычные химические пестициды и гербициды.
Фото: Минобрнауки
Выжженная земля
10 августа 1961 года в небо над Сайгоном поднялись американские транспортные самолеты Fairchild C-123 Provider. Они несли в себе груз экспериментальных химикатов, которые нужно было распылить на леса, окружавшие город. Этот день стал началом операции «Ranch Hand» по уничтожению растительности в Южном Вьетнаме, которую армия США проводила в течение десяти лет.
Изначально план, который представили президенту Джону Кеннеди, был очень простой – использовать смесь дефолиантов и гербицидов на джунглях, чтобы подразделениям северовьетнамской армии и партизанам было негде прятаться. Военные уверяли, что химическое оружие полностью безопасно для людей и действуют только на растительность. Поэтому они сразу получили согласование на проведение операции.
Всего в период с 1961 года по 1971 год США распылили дефолианты на всей территории Южного Вьетнама, а также в Лаосе и Камбодже. Они обрабатывали с вертолетов и самолетов не только леса, но и плантации с полями. Так армия пыталась лишить противника значительной части пропитания.
Лишь в декабре 1971 года президент Никсон приказал запретить массовое применение гербицидов вблизи американских военных объектов и крупных населенных пунктов. Но было уже поздно: военные распылили почти 100 млн литров химии, из них 72 млн «Agent Orange».
Бочки с этим синтетическим веществом имели ярко красную полосу, за что получили название. Внутри была смесь 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты, которые ослабляют крепление листьев на стебле растения, что ведет к дефолиации или массовому опадению листьев.
Масштабная операция «Ranch Hand» уничтожила более полумиллиона гектаров мангровых лесов, около одного млн гектаров джунглей, а также сотни тысяч гектаров лесов и полей. От «Agent Orange» пострадали 40-100% посевов бананов, риса, сладкого картофеля, папайи, помидоров, кокосов и других культур.
На пораженных территориях почти полностью исчезли земноводные и насекомые, значительно сократилось биоразнообразие, например, из 150 видов птиц осталось лишь 18. Но самое страшное последствие распыления дефолиантов открылось лишь через некоторое время.
Скрытая угроза
Оказалось, что упрощенная технология синтеза, по которой компании делали составные вещества для «Agent Orange», имеет побочный продукт – диоксин. Это сильнодействующий мутаген, вызывающий онкологические заболевания и генетические мутации. По подсчетам специалистов, американские военные распылили на территории Вьетнама и соседних стран вместе с «Agent Orange» не менее 40 млн литров диоксина.
Спустя годы, ученые выяснили, что вещество легко подавляет иммунитет человека, а затем вмешивается в процессы деления и специализации клеток. В итоге в организме происходят глубокие нарушения практически во всех обменных процессах, ломается работа иммунной системы.
От диоксина тогда пострадали миллионы жителей Азии. Но последствия операции «Ranch Hand» ощущаются по сей день. Высокая концентрация опасного химического вещества до сих пор сохраняется в некоторых регионах и накапливается в жировых тканях местных жителей. Это приводит к рождению детей-инвалидов и преждевременной смерти от онкологических болезней.
Но проблема использования химических веществ намного шире, чем просто бездумное их использование во время операции «Ranch Hand». Люди действительно не знали о скрытой угрозе диоксинов. Например, Агентство по охране окружающей среды распыляло «Agent Orange» на территории национальных лесов США вплоть до 1978 года. Не в таких глобальных масштабах, как во Вьетнаме, но опасность тоже была.
Современные поля и плантации постоянно обрабатывают пестицидами и гербицидами, которые содержат самые разные химические соединения. Ни один ученый не может с полной уверенностью сказать, что все они безопасны. Как в истории с диоксином, могут пройти десятки лет до момента, когда будут обнаружены ужасные последствия для организма человека.
Новый взгляд на биологию
Поэтому ученые ищут способы, как действительно безопасно влиять на рост, развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур. Например, с помощью грибков и бактерий, которые естественным образом обитают на поверхности корней, в почве, листьях и стеблях растений.
Многообещающую технологию на базе микроорганизмов разработали в лаборатории молекулярной генетики и биотехнологии Ярославского государственного университета имени П.Г. Демидова (ЯрГУ). Подразделение открылось в 2021 году в рамках программы «Приоритет – 2030». Больше половины сотрудников лаборатории – это молодые ученые, студенты и аспиранты.
Начинающие исследователи занимаются созданием биотехнологий нового поколения. Например, подробно изучили ассоциативных азотфиксаторов. Эти микроорганизмы обитают в ризоплане, то есть на поверхности корней растений, и в ризосфере – почве вокруг корней, а также в филлосфере, или листьях и стеблях. Эти бактерии живут в тесной связи с растениями и напрямую зависят от них.
«Микроорганизмы и растения живут не отдельно друг от друга – они образуют сложные ассоциации, демонстрирующие разнообразные взаимодействия. Тесные растительно-микробные связи свойственны большинству растений. Особенно тем, семена которых лишены каких бы то ни было питательных веществ, и их прорастание происходит только в симбиозе с грибами. Развитие растений и состояние грибов во многом определяется третьим «партнером» этих взаимоотношений – ассоциативными бактериями», – объяснил Андрей Сидоров, сотрудник научно-образовательной лаборатории молекулярной генетики и биотехнологии ЯрГУ.
Исследователи решили собрать пробы для изучения с пальчатокоренника мясо-красного. Это многолетнее травянистое растение широко распространено в Евразии. В России оно растет на сырых заболоченных лугах в большинстве районов Европейской части страны, а также в Сибири и Предкавказье. Вид имеет сложную систему ежегодно замещающихся подземных органов, что дает широкий ареал обитания различных микроорганизмов.
Ярославские биологи провели в лаборатории полную реконструкцию ассоциативных микробных сообществ из полученных образцов и оценили их биотехнологический потенциал. Ученые изучили не только базовые виды, но и некультивируемые формы, которые могут составлять до 99% бактерий сообщества.
Для каждого вида микроорганизмов были определены: способность синтезировать фитогормоны, оптимизировать условия минерального питания и подавлять фитопатогенные микроорганизмы. Самые эффективные штаммы испытали сначала в лабораторных, а затем и в полевых условиях на основных сельскохозяйственных культурах – пшенице и ячмене.
В гармонии с экологией
Результатом длительного кропотливого исследования стало создание запатентованной базы, в которой содержится подробное описание более ста уникальных штаммов ассоциативных азотфиксаторов.
Все штаммы, занесенные в базу, имеют идентификационные номера, а также полную характеристику биотехнологического потенциала по результатам реальных полевых экспериментов.
«Она включает их родовое и видовое название, номер (наименование), место и время выделения, место идентификации, регистрационный номер в базе GeneBank и в базе Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов, культурально-морфологические свойства, микроскопическую картину, условия культивирования и хранения, чувствительность к антибиотикам», – поясняет Андрей Сидоров.
Исследователи добавляют, что это первая подобная комплексная оценка биотехнологического потенциала ассоциативных бактерий, которая проводилась в почвенно-климатических условиях центрально-европейской части России.
Сейчас ученые разрабатывают эффективную препаративную форму, которая обеспечит удобное применение базы микроорганизмов в сельском хозяйстве. Еще базу данных смогут использовать студенты и аспиранты для разработки инновационных средств для управления ростом и развития, повышения продуктивности и стрессоустойчивости растений.
Исследованиями научно-образовательной лаборатории молекулярной генетики и биотехнологии ЯрГУ имени П. Г. Демидова уже заинтересовался один из крупнейших мировых производителей минеральных удобрений.
Как считают биологи, новые технологии стимуляции урожая значительно снизят расход химических пестицидов и гербицидов. Это позволит сократить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Кроме того, агропромышленные биопрепараты нового поколения будут экономически более выгодны, так как на их создание тратится меньше ресурсов, чем на химические регуляторы роста и средства защиты растений.
