Науковці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України виділили нові штами бактерій, які населяють внутрішні тканини сої (ці мікроорганізми називаються ендофітами), і довели їхній позитивний вплив на подолання рослинами температурного й оксидативного стресів. Застосування ендофітів поліпшило ріст рослин і підвищило врожай навіть в умовах посухи і високих температур. На основі виділених штамів в Інституті розробили новий препарат – Інфітол. Польові випробування підтвердили ефективність і перспективність використання препарату для вирощування сільськогосподарських культур. Науковці з’ясували основні механізми позитивного впливу розробленого препарату на рослини і стверджують, що він має великі перспективи у виробництві.
Кліматично стійкий розвиток людства стає дедалі актуальнішим, з огляду на почастішання катастрофічних погодних явищ у різних куточках планети, зокрема і в Україні. Від надвисоких температур і посух особливо потерпають сільськогосподарські культури. Через це знижується їхня врожайність, що ставить під загрозу продовольчу безпеку. Тому чимало дослідників із різних спеціальностей зосередилися на підвищенні стійкості рослин до стресових чинників і на розробленні кліматично орієнтованих біотехнологій для сільського господарства.
Над розв’язанням цієї проблеми працюють і науковці відділу загальної та ґрунтової мікробіології Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України. Вони звернули увагу на ґрунтові мікроорганізми, які тісно взаємодіють із рослинами, поліпшують їхнє живлення й розвиток, підвищують стійкість до стресових чинників і продуктивність. В Інституті створили представницьку колекцію агрономічно корисних мікроорганізмів, що налічує більш як 300 штамів, – симбіотичних, вільноіснуючих, асоціативних та ендофітних бактерій. Цим мікроорганізмам властиві важливі екологічні особливості: вони проявляють свої позитивні властивості за екстремальних чинників місцевих кліматичних умов (високі температури, недостатнє зволоження), фізико-хімічних особливостей ґрунтів різних типів, а також здатні утворювати продуктивні симбіотичні системи з різними сортами рослин української та іноземної селекцйї. Серед таких ефективних штамів – бульбочкові бактерії сої, на основі яких фахівці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України створили комплексний інокулянт РизобінК (інокулянт – це біопрепарат із живих штамів мікроорганізмів, яким обробляють насіння перед посівом або коріння розсади та саджанців перед посадкою). Він містить асоціацію штамів бульбочкових бактерій Bradyrhizobium japonicum УКМ В-6018, УКМ В-6023 і УКМ В-6035, а також їхні біологічно активні метаболіти – фітогормони, органічні кислоти, амінокислоти й інші.
Виробники мікробних біопрепаратів мало цікавляться ендофітними мікроорганізмами, які, втім, на думку науковців, заслуговують особливої уваги завдяки своїм властивостям. Ендофіти населяють ксилемні тканини провідних судин і міжклітинний простір рослин та формують із ними взаємовигідні протокооперативні відносини: підсилюють рослини зсередини, захищають їх від фітопатогенів і шкідників, активують механізми стресостійкості й антиоксидантного захисту, постачають поживні й рістстимулювальні сполуки.
Із поверхнево стерилізованих бульбочок сої науковці Інституту виділили 6 нових штамів ендофітних бактерій, у лабораторних і натурних експериментах вивчили їхні властивості, а також перевірили ефективність застосування нових штамів у польових випробуваннях. У дослідах із вирощуванням сої насіння перед посівом комплексно обробляли бульбочковими бактеріями з препарату РизобінК і одним із виділених штамів ендофітних бактерій родів Paenibacillus, Bаcillus і Pseudomonas. У підсумку вчені виявили низку корисних для рослин властивостей виділених штамів.
Чому дослідники вирішили працювати саме із соєю? Бо вона чутлива до високих температур: кожне підвищення середньої глобальної температури на 1ºС здатне зменшити врожайність сої на 3,1%. Посуха також є одним із найсильніших абіотичних стресів, що негативно впливає на фізіологію коріння, структуру листя, поглинання поживних речовин, фотосинтетичну активність і продуктивність. Але завдяки комплексному ендофітно-ризобіальному препарату-інокулянту, створеному в Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, під час посух на Київщині водний режим сої поліпшувався – дефіцит води зменшувався, водоутримувальна здатність зростала, інтенсивність транспірації знижувалася, тобто рослини краще насичувалися водою. Як наслідок, адаптивний потенціал рослин підвищувався, симбіотична система формувалася краще, а врожайність сої сорту ‘Скульптор’ зростала на 36,2%. Водночас, інокулянт на основі нового штаму ендофітів поліпшував адаптивність рослин до несприятливих умов і знижував оксидативний стрес. Це підтверджують менше накопичення активних форм кисню та підвищення каталазної активності.
Крім того, результати експериментів in vitro й in vivo показали, що селекціоновані фахівцями Інституту ендофітні штами ефективні ще й проти погіршення фітопатологічної ситуації на посівах сільськогоподарських культур, яке є однією з супутніх проблем кліматичних змін. Щодо бактеріальних і грибних збудників хвороб сої ці штами проявляли широкий спектр антагоністичної та біоконтролюючої активності. Коли насіння сої у польових умовах на природному інфекційному фоні обробляли композицією РизобінК разом з ендофітними штамами, ефективність захисту рослин проти альтернаріозу становила від 47,5 до 92%, а продуктивність різних сортів сої суттєво зростала (дивіться графік нижче). Приріст урожаю становив у середньому 47%.
Ефективність захисної дії ендофітно-ризобіальної інокуляції проти альтернаріозу сої (%) та прибавка урожаю різних фітобактеріальних симбіозів (%) у польових умовах: 1 – сорт 'Медісон': РизобінК + Pseudomonas sp.6; 2 – сорт Муза, РизобінК + Bacillus velezensis IMV B-8134; 3 – сорт Скульптор, РизобінК + B. velezensis IMV B-8134
Отже, для підвищення врожайності та стійкості сої до патогенів за несприятливих фітосанітарних умов довкілля варто використовувати у технологіях вирощування цієї культури ендофітні бактерії.
На основі цих дослідницьких результатів науковці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України створили новий препарат, що містить ендофітні бактерії – Інфітол. Розробка вже пройшла необхідні токсикологічні випробування, штами Bаcillus velezensis IMV B-8134 і B. velezensis IMV B-8135 віднесено до ІV класу патогенності як нешкідливі для теплокровних. Повний сиквенс геномів цих штамів довів, що їхній генетичний матеріал не містить генів патогенності. Тобто біотехнологічні підприємства вже сьогодні можуть застосовувати штами у виробництві унікального новітнього мікробного препарату для рослинництва, який може стати у пригоді й у господарствах органічного землеробства.
Інфітол уже випробували в польових умовах – на посівах сої у південних регіонах України (Херсонській та Одеській областях), укотре підтвердивши ефективність комплексного застосування ендофітних бактерій та інокуляції ризобіями як на зрошуваних, так і на неполивних землях.
Скажімо, на Одещині (а це зона неполивного землеробства Південного Степу України) агрокліматичні умови протягом вегетації сої були несприятливими – з великим дефіцитом вологозабезпечення і низьким коефіцієнтом зволоження ґрунту через незначну кількість опадів і високу випаровуваність вологи з ґрунту за високих температур повітря. Але якщо насіння сої перед сівбою обробляли бульбочковими й ендофітними бактеріями, то рослини виявляли стійкість до стресових погодних умов. У підсумку завдяки комплексній ендофітно-ризобіальній інокуляції врожайність різних за скоростиглістю сортів сої 'Діона' і 'Святогор' перевищувала у середньому в 1,5 рази та в 1,9 рази відповідно врожайність рослин, насіння яких не оброблювали.
Що ж стосується полів Херсонщини (це були ділянки зрошуваного землеробства), то за роки досліджень урожайність насіння обох досліджених сортів сої у варіанті коінокуляції насіння РизобіномК + B. velezensis ІМВ В-8134 становила в середньому 2,69 т/га (для ультраскоростиглого сорту 'Діона') та 2,95 т/га (для середньостиглого сорту 'Святогор'), що на 38–40% перевершувало контрольні показники.
Розрахунок економічної ефективності показує, що комплексна ендофітно-ризобіальна інокуляція насіння обох сортів сої за використання препаративної композиції РизобінК + B. velezensis IMV В-8134 дає максимальні показники умовно чистого прибутку (близько 13–17,5 тис. грн/га) за найменшої собівартості (близько 7,2–8,3 тис. грн/т) й найвищого рівня рентабельності (56,0–79,9%). Іншими словами, передпосівна інокуляція насіння зернобобових культур новітніми ендофітно-ризобіальними препаратами дає змогу отримати екологічну продукцію з низькою собівартістю, а тому може бути ефективним елементом енергоощадного землеробства.
Як запевняють в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, за умов зрошування запропонована ними схема обробки насіння (комплексна ендофітно-ризобіальна інокуляція) бактеріальним композиційним препаратом РизобінК + B. velezensis IMV В-8134 підвищить врожайність сої на землях Південного Степу України до 3,05 т/га для ультраскоростиглого сорту 'Діона' й до 3,21 т/га для середньораннього сорту 'Святогор', а також посприяє підвищенню вмісту доступних форм азоту в ґрунті й зниженню хімічного навантаження на довкілля, бо всього цього можна досягти без мінеральних азотних добрив.
Роботи науковців Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України засвідчили високу ефективність селекціонованих штамів ендофітних бактерій за сучасних кліматичних змін. Автори досліджень вважають нові ендофітні штами з пробіотичною активністю для рослин перспективною основою поліфункціональних мікробних препаратів-фітобіотиків для створення адаптивних біотехнологій, здатних підтримувати здоров’я рослин і запобігати втратам урожаю за біотичних та абіотичних стресів.
Далі фахівці установи планують зосередитися на вивченні спектру кластерів функціональних генів, пов’язаних із синтезом речовин, які забезпечують захист від патогенів, формування системної стійкості рослин до захворювань, шкідників і несприятливих кліматичних умов. Тож робота триває.
За інформацією Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України