Биогербициды могут расширить возможности защиты растений

Африканские «ведьмины круги» помогают повысить эффективность сельского хозяйства.

В пустынях Намибии есть совершенно безжизненные участки почвы, на которых ничего не растет. Окруженные здоровой травой и кустарниками, они получили прозвище «ведьмины круги» или, с противоположным смыслом, «следы бога».

У ученых есть несколько теорий, как появились круги, но ни одна пока точно не доказана. Одна из них заключается в том, что круги появляются из-за особых веществ, которые возникают в результате жизнедеятельности растения эуфорбия. Эту теорию прорабатывают магистранты Университета ИТМО (ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики») под руководством научных сотрудников лаборатории технологии микробных препаратов ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии. По мнению ученых, результаты исследований могут помочь создать новые, экологически чистые биогербициды для сельского хозяйства.

Теории про «ведьмины круги»

«Ведьмины круги» встречаются в очень засушливых зонах южной Африки, а также недавно их обнаружили в пустынях Австралии. Диаметр «мертвых» окружностей может быть от двух до сорока метров. При этом круги время от времени мигрируют, то исчезая, то появляясь в разных местах с периодичностью в несколько десятков лет. Существует несколько гипотез, почему возникает этот природный феномен.

Пару лет назад была очень популярной версия о том, что это результат активности термитов. Насекомые съедают корни и семена растений, а когда есть уже нечего, колония погибает и «обглоданная» земля постепенно вновь зарастает травой. Однако исследователи так и не смогли понять, почему же термиты предпочитают размножаться и жить только на кругообразных площадях и не расширяют свои владения, когда ресурсы кончаются.

Другой вариант связывает деятельность термитов с борьбой растений за выживание. Ценная вода скапливается в туннелях, прорытых насекомыми. Растения стремятся размножиться над этими тоннелями, а потому серьезно конкурируют между собой. Поэтому они обильно растут по краям термитных владений, но пробиться дальше очень сложно и это, судя по гипотезе, никому не удается.

Еще одна теория говорит о том, что все дело в саморегуляции растений. Выпадающие в пустынях осадки текут по прогалинам к тем местам, где растений больше, стимулируя их рост. Но опять-таки не понятно, почему эти прогалины круглой формы и почему вода не может распределяться равномерно по поверхности земли? Кроме того, были и предположения о том, что круги появляются из-за действия радиации, принесенной астероидными дождями, или из-за действия газов, которые просачиваются из-под земли.

Виноваты микроорганизмы

Команда ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ) прорабатывает гипотезу о том, что «ведьмины круги» образуются в результате деятельности микроорганизмов. Ученые заметили, что круги появляются на местах, где когда-то жило растение эуфорбия. После того, как оно погибает, почва вокруг становится непригодной для жизни других растений.

«Например, во Франции растут черные трюфели. В области над ними можно наблюдать подавление растительной активности. Трава растет, но при этом невысокая в сравнении с той, которая находится за пределами площади распространения грибов. Оказалось, что в трюфеле есть определенные белковые последовательности, которые отвечают за подавление роста растений. Соответственно, эту последовательность можно выделить и исследовать, как именно она влияет на рост растений», — сказал магистрант кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университета ИТМО Сергей Мишин, который работает над исследованиями эуфорбии.

Случай с «ведьмиными кругами» может быть похож на пример с трюфелями. Было обнаружено, что на корнях эуфорбии обитают микроорганизмы, которые находятся в симбиозе с растением. Это значит, что микроорганизмы выделяют для растения какие-либо гормоны, витамины, а растение кормит их сахарами или кислотами. В результате такого симбиоза могут выделяться побочные продукты — например, какие-либо белковые последовательности. И именно эти вещества ответственны за вымирание растительности. При этом за пределами круга эуфорбия может прорастать без помощи микроорганизмов. Соответственно, побочные продукты их симбиоза не выделяются в землю и не губят жизнь в почве.

Ученые лаборатории технологии микробных препаратов ВНИИСХМ сейчас работают с образцами почвы из «ведьминых кругов» пустыни Намиб, взятых с поверхности, из глубины 30 сантиметров, а также за пределами кругов. Из образцов выделены чистые культуры микроорганизмов, которые идентифицируются с помощью молекулярно-генетических методов и изучаются на наличие определенных свойств.

Уже проведены исследования по поводу того, насколько сильно они подавляют или стимулируют рост растений, в частности, кресс-салата, сообщил Сергей Мишин. Для исследований используется именно этот однолетник, потому что он чувствителен к действию микроорганизмов и быстро растет. Если обнаружится, что микроорганизмы из африканской почвы губят его, то полученный биогербицид будет протестирован и на сорняках. Пока же научная работа находится на стадии лабораторных экспериментов. Скоро наступит сезон полевых работ, и магистранты Университета ИТМО начнут проводить эксперименты в тепличном комплексе.

Для чего нужно изучать «ведьмины круги»

Цель лаборатории технологии микробных препаратов — это получение новых способов повышения эффективности и биологизации сельского хозяйства. Благодаря исследованиям действия микроорганизмов из «ведьминых кругов» ученые надеются получить новый биогербицид, который поможет бороться с сорняками. Если окажется, что выделенные микроорганизмы подавляют рост тех или иных сорных растений, то их можно будет использовать вместо химических гербицидов, которыми на сегодняшний день обрабатывают поля.

Например, несколько лет назад в Нидерландах нижний ярус лесов начал заполнять кустарник черемухи поздней (Prunus serotina). Это портило внешний вид леса и нарушало экологический баланс. Ученые занялись проблемой и нашли гриб — Chondrostereum purpureum, который вызывал гибель кустарника. Его стали активно применять в качестве биогербицида для леса, и за три года более 90% лесов в стране было очищено от ненужного кустарника.

«Этот естественный процесс сам по себе происходит в природе, просто не с такой интенсивностью. Задача ученых — проконтролировать этот процесс, чтобы эффект был достаточным, но не избыточным. Такой способ борьбы с сорняками гораздо безопаснее, чем применение химических гербицидов, потому что тогда химикаты не попадают в почвы, подземные воды, в сами растения и в итоге к нам на обеденный стол. Кроме того, производство биогербицидов обходится гораздо дешевле, соответственно, и стоят они меньше. А это сказывается на затратах сельского хозяйства и цене продуктов, которые попадают на прилавки магазинов. Это не значит, что необходимо полностью отказаться от химических гербицидов. Просто иногда последние перестают действовать», — прокомментировал научный сотрудник лаборатории технологии микробных препаратов ВНИИСХМ, к.б.н., руководитель проекта по исследованиям эуфорбии Андрей Щербаков.

Дело в том, что сорняки постепенно мутируют и становятся устойчивыми к губительному действию химических гербицидов. Здесь ситуация похожа на ту, что происходит сейчас с антибиотиками, которые перестают действовать, подчеркнул Андрей Щербаков: бактерии приспосабливаются к действию лекарств благодаря естественному отбору и постоянной эволюции. Кроме того, у растений постоянно появляются новые заболевания, вызванные новыми фитопатогенными организмами. В результате аграрии используют все больше и больше гербицидов и фунгицидов, что приводит к еще большей устойчивости сорняков.

Справиться с этим замкнутым кругом помогут биогербициды. Они не воздействуют на растение на генном уровне, а синтезируют определенные вещества, которые запускают жизнедеятельность растения немного в другом направлении. Это направление ведет к естественной гибели растения, как от заболевания. Таким образом, биогербициды можно использовать как дополнительное средство борьбы с сорняками.

Однако устойчивость к биогербицидам также может вырабатываться у растений. У ученых есть методы, как предотвратить этот процесс. Во-первых, необходимо оставлять сам действующий агент биогербицида неизменным, то есть не допускать его мутаций. Для этого его замораживают методами криоконсервации. Во-вторых, биогербицид постоянно «тренируют» на сорняках, заражая им несколько экземпляров в лабораторных и тепличных экспериментах. И если он плохо справляется со своей работой, то его исключают из исследований.

Еще одна сложность заключается в том, что какой-нибудь биогербицид-уничтожитель сорняков может также губить и сельскохозяйственную культуру. Эту проблему можно решить, сделав культуре прививку, — совсем, как у людей. Для этого специально подобранный агент вводят в зародыш растения — семечко. В результате на «взрослое» растение биогербицид уже не действует, и культуру можно поливать им без ограничений, уничтожая окружающие сорняки. Кроме того, в некоторых случаях агрессивность биогербицида только на руку, когда перед учеными стоит задача не оставить на участке земли ничего живого. Это необходимо для каких-либо технических зон, например, взлетных полос в аэропортах, привел пример Андрей Щербаков.

«Но мы идем по пути создания специфических (селективных) биогербицидов, которые выборочно воздействуют на те или иные растения. Например, для Ленинградской области очень актуальна проблема повсеместного распространения борщевика, с которым очень трудно бороться. Еще один злостный сорняк — это амброзия», — сказал он.

Поиск эффективных биогербицидов — «мейнстримовое» направление во всем мире, добавил он. Однако в России подобными разработками занимается очень мало научных групп. При этом потребность населения планеты в качественных и экологически чистых продуктах питания постоянно растет. Биогербициды могут стать следующей ступенью развития средств защиты растений для современного сельского хозяйства.

Инфоиндустрия по материалам news.ifmo.ru

Читайте нас у Telegram