Перспективи біотехнологій у сільському господарстві

Науково обґрунтоване застосування мінеральних добрив – найефективніший засіб впливу на продуктивність рослин, здатний забезпечити до 50 % приросту врожаю. Проте, за влучним висловом видатного агрохіміка і фізіолога рослин Д. Прянишникова, «надлишком добрив не можна замінити нестачу знань».
Відтак натомість надмірного застосування синтетичних агрохімікатів сьогодні все більшого значення набувають науково-технічні розробки, спрямовані на пошук альтернативних засобів, що зберігають рівень урожайності, але забезпечують отримання екологічно чистої продукції зі зменшеною собівартістю.

Сьогодні стало зрозумілим, що людство, надмірно застосовуючи хімічні сполуки в сільському господарстві, йде шляхом самознищення: наявні у продуктах харчування залишки нітратів, нітритів, пестицидів та інших шкідливих речовин псують здоров’я населення, некорект­на хімізація відчутно погіршує стан довкілля, стан ґрунтів, зокрема підвищується кислотність, знижується сума поглинених основ, порушується співвідношення різних елементів живлення, підвищується рухомість важких металів і, як наслідок, збільшується небажана засвоюваність їх вирощуваними культурами.

Кінець ери максимуму добрив

Індустріально розвинені країни, незважаючи на знач­ні можливості щодо застосування мінеральних добрив (30-40 % прибавки сільськогосподарської продукції в країнах Західної Європи та США отримують завдяки використанню добрив), особливого значення надають біологізації аграрного виробництва.

Слід зауважити, що біологічне землеробство в жодному разі не означає повну відмову від мінеральних добрив, оскільки воно за своєю суттю є розумним та збалансованим застосуванням агротехнічних, агрохімічних і біологічних заходів у комплексі із системою інтегрованого захисту рослин.

У світовій практиці спостерігається тенденція до зниження доз застосовуваних добрив і підвищення ефективності їх використання (з економічних та екологічних міркувань) у поєднанні з агротехнічними заходами, метою яких є підтримання природної родючості ґрунтів.

Це і науково обґрунтовані сівозміни, і заходи, спрямовані на підвищення біорізноманіття корисної ґрунтової мікрофлори, і використання агротехніки, яка не допускає масового ураження рослин патогенними мікроорганізмами та обмежує розвиток і масове поширення комах.

Зокрема до них належать: вибір високопродуктивних і стійких проти хвороб сортів сільськогосподарських рослин, своєчасна сівба якісним насінням, правильне чергування культур у сівозмінах, внесення необхідної кількості добрив, особливо органічних, проведення вапнування ґрунтів, вирощування сидеральних культур.

З-поміж основних елементів живлення рослин азоту належить одне з чільних місць, оскільки його роль для формування органічної маси найвагоміша. Невичерпне його джерело – це атмосфера, 78 % якої припадає саме на цей елемент. Варто лише сказати, що в повітрі над 1 га земної поверхні міститься понад 80 тис. т (над 1 м2 ґрунту – близько 8 т) молекулярного азоту, який є єдиним джерелом поповнення запасів зв’язаного азоту в ґрунті, а загальний вміст азоту в земній корі (переважно у складі солей амонію, нітритів і нітратів) становить лише 0,01 %.

Однак ні люди, ні тварини, ні більшість рослин не здатні його засвоювати в такій формі. Для задоволення потреб рослин у цьому елементі живлення їх слід забезпечувати хімічними сполуками азоту.


Проте для синтезу мінеральних азотних добрив промисловим шляхом потрібні величезні обсяги високовартісних і дефіцитних енергоресурсів (на виробництво 1 т аміачної селітри витрачається 4 т нафти або близько 800 м3 природного газу), через що їх виробництво останніми роками скоротилося, а ціна значно підвищилася.


Загалом можна констатувати, що епоха швидкого зростання споживання добрив відходить у минуле. Різке збільшення цін на мінеральні добрива в Україні призводить до все більшого зниження рівня їх використання у сільськогосподарських підприємствах.

Важлива місія бобових

Важливу роль у збагаченні ґрунтів зв’язаним азотом відіграє процес біологічної фіксації молекулярного азоту ґрунтовими мікроорганізмами – азотфіксаторами.

Азотфіксовані мікроорганізми можуть засвоювати з повітря від 40 до понад 300 кг азоту на гектар за рік. Цей процес не забруднює довкілля і не потребує знач­них енергетичних витрат.

Про значущість біологічної азотфіксації свідчить той факт, що у світовій практиці сільського господарства щороку в ґрунт із мінеральними добривами вноситься 35 млн т азоту, тоді як за цей самий час рослини поглинають із ґрунту приблизно 75 млн т елемента. Різниця між цими кількостями покривається завдяки діяльності мікробів-азотфіксаторів, насамперед бульбочкових бактерій, які зв’язують молекулярний азот у легкозасвоювані для рослин форми.

Значні перспективи має використання так званих асоціативних бактерій при вирощуванні пшениці, ячменю, тритикале, проса, сорго. Ці мікроорганізми також фіксують азот і тим самим поліпшують мінеральне живлення, забезпечують рослину-хазяїна фізіологічно активними речовинами (фітогормонами, вітамінами тощо).

Нітрагінізація (інокуляція – обробка насіння перед посівом бульбочковими бактеріями) підвищує продуктивність бобових у середньому на 10-25 %, уміст білка в рослинній продукції зростає на 2-3 %.

Потенційні розміри симбіотичної азотфіксації можуть сягати від 130 до 390 кг фіксованого азоту на 1 га для зернобобових культур і від 270 до 550 кг азоту на 1 га для багаторічних бобових трав.

Рівень прибавки врожаю залежить від особливостей культури, стану ґрунтів і погодних умов. Додаткове накопичення протеїну в урожаї інокульованих рослин істотно підвищується і становить 20-35 % для зернобобових і 30-45 % – для багаторічних бобових трав.


Збільшення накопичення біологічного азоту в урожаї при інтродукції ефективних штамів бульбочкових бактерій становить 30-50 % для зернобобових і досягає 60-80 % для бобових трав. Крім того, після збирання цих культур у ґрунті залишається 50-100 кг азоту на гектар і пригнічується активність фітопатогенних мікроорганізмів.


Згідно з даними продовольчої та сільськогосподарської організації при ООН (ФАО) у світовому виробництві білка на частку зернобобових припадає близько 20 %. Оптимальна науково обґрунтована частка бобових культур у сівозмінах становить 20-40 %, що дає змогу на чверть скоротити обсяги внесення мінерального азоту під зернові культури сіво­зміни без істотного зниження їх продуктивності.

На 68-му засіданні Генеральної Асамблеї ООН 2016 рік було проголошено Міжнародним роком зернобобових. Цим кроком представники Генеральної Асамблеї намагалися привернути увагу населення планети до раціонального використання зернобобових культур, а також підкреслити їх важливість у сучасному раціоні людини.

Серед зернобобових рослин найвищою азотфіксованою здатністю характеризується соя. Вона може засвоювати з повітря 70-280 кг / га азоту за вегетаційний період.

Кореневі бульбочки сої (а) (Glycine max (Merr.)

та люцерни (б) (Medicago sativa L.)

 

На сьогодні в Україні зернобобові культури вирощують на площі понад 2,5 млн га, а багаторічні трави, зокрема бобові, яким належить провідна роль у відновленні ґрунтової родючості, займають близько 1 млн га, що набагато нижче оптимуму. Нагальним стратегічним завданням у вирішенні проблеми харчового та кормового білка та відновлення колишньої родючості українських ґрунтів є розширення площі посівів традиційних і нетрадиційних бобових культур до оптимальних значень. Вагомою проблемою також є забезпечення ефективного симбіозу рослин із відповідними активними штамами бульбочкових бактерій.

Біопрепарати у світі

Нині в усьому світі спостерігається підвищений інтерес до біологічних препаратів для сільського господарства на основі бактерій-азотфіксаторів. У розвинених країнах, незважаючи на їхні більші можливості щодо застосування мінеральних добрив, біологізація сільськогосподарського виробництва має виняткове значення. Про це свідчать обсяги виробництва препаратів на основі азотфіксованих мікроорганізмів: в Угорщині – понад 200 тис. гектарних порцій, у Великій Британії і Польщі – більш як 500 тис., Румунії – понад 1 млн, Індії – 3 млн, Канаді – 4 млн, Австралії – 6 млн.

Незважаючи на важливість цього питання, в Україні лише 30-35 % насіння бобових культур (здебільшого сої) інокулюється препаратами бульбочкових бактерій. У США поряд із застосуванням мінеральних добрив азотний дефіцит ґрунту знач­ною мірою покривається активізацією біологічних процесів. Сільське господарство США, яке має близько 140 млн га ріллі, забезпечує надходження азоту в ґрунти (загалом 29 млн т на рік) із таких джерел (див. рис.):

 мінеральні добрива – близько 9 млн т, що становить 31 %;

 біологічний азот – близько 13 млн т, що становить 44,8 %;

 органічні добрива – 7 млн т, що становить 24,2 %.

Кожен третій гектар світової посівної площі люцерни (32,3 %) знаходиться в цій країні, а кожен другий гектар землі в обробітку зайнятий бобовою культурою.


Багаторічні бобові трави утворюють 500-700 кг / га гумусу, що еквівалентно внесенню 20-30 т гною на гектар, створюючи значні запаси азоту в ґрунті.


Біопрепаратами в США оброб­ляють понад 65 % площ бобових культур. Для власних потреб і на експорт виробляють від 14 до 20 млн гектарних порцій азотфіксованих препаратів.

Широке застосування інокуляції бобових культур бульбочковими бактеріями для підвищення врожаю та поліпшення його якості спонукає науковців до систематичної роботи над удосконаленням симбіотичних властивостей цих бактерій, а отже, ефективності бобово-ризобіального симбіозу.

Щоб цілеспрямовано керувати процесом азотфіксації бобових рослин, створюючи ефективний симбіоз, необхідно всебічно розуміти перебіг цього процесу, складність якого полягає в тому, що будь-яка генетична ознака бобово-ризобіального симбіозу – це результат взаємодії двох геномів, один з яких належить рослині, а другий – бактерії.

Ці бактерії мають бути здатними, з одного боку, утворювати на корінні бобових оптимальну кількість бульбочок і забезпечувати високий рівень азотфіксації, а з іншого – успішно конкурувати з низькоактивними місцевими расами ризобій та іншою ґрунтовою мікрофлорою, зберігаючи при цьому активність за несприятливих умов довкілля. Слід зауважити, що окремі штами бульбочкових бактерій з часом можуть певною мірою втрачати агрономічно корисні властивості, що зумовлює необхідність постійного ведення селекції нових високоефективних штамів, які за симбіотичними властивостями переважали б уже відомі.

Вітчизняна інокуляція

Генетичною базою для селекції активних штамів бульбочкових бактерій слугують ризобії, виділені з природних біоценозів (аналітична селекція) або отримані за дії різних мутагенів – фізичних і хімічних.

Для розширення спектра високоактивних симбіонтів-азотфіксаторів потрібно застосовувати і новітні методи досліджень, зокрема генно-інженерні та біотехнологічні. Це уможливить створення штамів, здатних утворювати високоефективні симбіотичні системи із широким колом сортів бобових культур, районованих у різних екологічних умовах.

У відділі симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики НАН України методами аналітичної селекції отримано високоактивні конкурентоспроможні штами бульбочкових бактерій люпину Rhizobium lupini 387a, гороху Rhizobium leguminosarum 263б, козлятнику східного Rhizobium sp. (Galega) 159 та Л2, сої Bradyrhizobium japonicum PC08, люцерни Sinorhizobium meliloti AC08.

Методом міжродової кон’югації створено високо­ефективні штами бульбочкових бактерій люцерни S. meliloti М4, М12 та конюшини Rhizobium leguminosarum bv. trifolii BN9. Їх особливістю є те, що вони менш чутливі до несприятливих екологічних умов – низьких позитивних температур, нестачі вологи, надлишку азоту в ґрунті та пестицидів. Іншим методом – неспецифічного транспозонового мутагенезу з використанням плазміди pSUP2021::Tn5 – також створено високоефективні конкурентоспроможні штами бульбочкових бактерій гороху, люцерни й конюшини. Вперше доведено можливість застосування цієї плазміди для транспозонового мутагенезу штамів B. japonicum 646, 614а, 71т. За допомогою векторної плазміди pSUP2021::Tn5 отримано низку мутантів різних штамів бульбочкових бактерій люпину, зокрема штамів 10, 168, 359а.

Загалом за останні 10 років в інституті створено понад 20 штамів азотфіксованих мікроорганізмів, захищених авторськими свідоцтвами та патентами України на винаходи.

У результаті проведених багаторічних досліджень відібрано високоефективні конкурентоспроможні штами бульбочкових бактерій сої, гороху, люпину, нуту, люцерни, конюшини та козлятнику, які забезпечують прибавку врожаю цих культур на 15-22 % порівняно зі штамами-стандартами.

Таким чином, в інфраструктурі інституту є два наукових об’єкти, які мають статус національного надбання: «Колекція цінних зразків озимої пшениці та кукурудзи – сорти, популяції, унікальні мутантні та рекомбінантні лінії, інбредні лінії» і «Колекція штамів симбіотичних та асоціативних азотфіксованих мікроорганізмів».

На сьогодні колекція генофонду провідних злакових культур України – озимої пшениці та кукурудзи – налічує понад 6,5 тис. зразків. Сорти, створені з використанням зразків колекції, вирощуються в Україні на площі понад 2 млн га, що є істотним внеском у забезпечення продовольчої безпеки нашої країни.

Колекція штамів симбіотичних та асоціативних азотфіксованих мікроорганізмів (налічує понад 850 культур) – одна з найбільших в Україні й підтримується у життє­здатному стані.

У цьому колекційному фонді зберігаються й підтримуються цінні біологічні об’єкти – азотфіксовані мікроорганізми, які мають стратегічно важливе значення для економічного розвитку України, оскільки використовуються для виготовлення біологічних препаратів під бобові та зернові культури, що дає змогу зменшити використання мінеральних добрив та енергетичних ресурсів і знизити негативне навантаження на довкілля.

Мікроорганізми з колекційного фонду постійно застосовуються для наукових досліджень у галузі фізіології рослин, біотехнології, генетики, мікробіології. Щороку колекція поповнюється новими штамами, проводиться вивчення їх за культурально-морфологічними, симбіотичними властивостями та здійснюється їх оцінка за господарсько-цінними ознаками.

За розроблення наукових основ і формування Банку генетичних ресурсів польових культур України, частиною якого є зазначені наукові об’єкти, що становлять національне надбання, 2013 року двом співробітникам інституту у складі авторського колективу присуджено Державну премію України в галузі науки і техніки.

Концептуальним напрямом розвитку біотехнологій у сільському господарстві є створення оригінальних комплексних композицій багатофакторної дії, що поєднують властивості регуляторів росту рослин, елементів живлення, засобів стійкості рослин проти стресів і хвороб, безпечність для довкілля. Прикладом цього є використання мікробних біотехнологій і регуляторів росту рослин природного походження. У відділі симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики НАН України якраз і ведеться цілеспрямована робота з цих напрямів. Зокрема вже розроблено і впроваджено у вироб­ництво препарат нового покоління – ризостим.

Його унікальність забезпечує поєднання комплексу трьох високоактивних штамів азотфіксованих мікроорганізмів, отриманих за допомогою останніх досягнень молекулярної біології і нанобіотехнологій, та комплексу рослинних протеїнів, які пришвидшують формування симбіозу, активують нітрогеназний комплекс бактерій, підвищують стійкість рослин проти несприятливих чинників довкілля. Крім того, препарат містить унікальний компонент, який поліпшує прилипання бактерій до насіння, забезпечує їх зберігання на поверхні щонайменше протягом двох місяців. Допускається можливість одночасного використання з фунгіцидами.

Ще однією інноваційною розробкою інституту є інокулянт для зернових культур – азолек. Препарат містить запатентований штам асоціативних азотфіксованих мікроорганізмів і комплекс протеїнів зародків пшениці, які посилюють взаємодію рослин і мікроорганізмів, сприяють реалізації потенціалу продуктивності зернових культур. За результатами багаторічних досліджень доведено ефективність препарату при його застосуванні в сучасних технологіях вирощування пшениці.

 


При використанні комплекс­ної бактеріальної композиції, яка містить декілька мікроорганізмів (поліінокуляція) для інокуляції насіння пшениці ярої та озимої, зернова продуктивність культур підвищується в середньому на 12-18 %.


При цьому мінеральні добрива застосовуються в межах фізіологічного оптимуму для культур. Щороку на основі створених у відділі ефективних конкурентоспроможних штамів бульбочкових бактерій виготовляються різні форми бактеріальних препаратів для інокуляції основних багаторічних бобових трав, зернобобових і зернових культур на площі 25-50 тис. га.

Інші грані інокуляції

Слід зазначити, що позитивний вплив мікроорганізмів-азотфіксаторів на рослину не обмежується покращенням її азотного живлення. Бактеризація сприяє трансформації важкорозчинних сполук ґрунту, зокрема фосфорних, у форми, що легко засвоюються рослинами, і водночас покращує живлення рослин.

Окрім того, бактеріальні препарати містять фізіологічно активні речовини (гормони, вітаміни, амінокислоти, стимулятори росту рослин тощо), які здійснюють пряму регуляцію росту рослин, зокрема істотно поліпшують використання добрив на 20-30 % завдяки розростанню кореневої системи та підвищенню її поглинальних властивостей.

Водночас корисні мікроорганізми, заселивши корені, не допускають патогенні мікроорганізми до інфікування рослини, підвищуючи її стійкість проти хвороб. Показано, що застосування біопрепаратів поліпшує якість посівного матеріалу – зростає енергія проростання та схожість насіння, а також сприяє активізації фотосинтезу в бактеризованих рослинах.

У результаті досліджень нами було встановлено, що при загальному відчутному підвищенні врожаю вирощуваних бобових рослин унаслідок застосування мікробних препаратів одночасне внесення в ґрунт аміачної селітри певною мірою пригнічувало інтенсивність зв’язування атмосферного азоту, тоді як поєднання дії суперфосфату з бактеризацією забезпечувало найбільший позитивний ефект (див. табл.).

Наведені в таблиці результати досліду свідчать про незаперечну позитивну дію бактеріальних добрив при вирощуванні гороху.

В Україні, варто зазначити, мікробним (біологічним) препаратам фахівці господарств приділяють пильну увагу і ці препарати стають дедалі популярнішими. Однак останнім часом за їх використання іноді виникають певні запитання: чому в одних господарствах препарати спрацьовують, а в інших – ні. Причин цього може бути чимало, але головні з них, на думку фахівців, такі:

 недостатньо високий рівень професіоналізму агровиробників господарств при роботі з цими препаратами, зокрема це стосується як самого вибору препаратів, так і поєднання їх із засобами захисту рослин, мінеральними добривами та мікроелементами;

 поява на українському ринку біопрепаратів інокулянтів невисокої якості та сумнівного походження;

 оскільки основу іноземних препаратів становлять активні мікроорганізми, які на відміну від вітчизняних мікроб­них агентів не адаптовані до ґрунтово-кліматичних умов України та сортів культурних рослин української селекції, можливе зниження їх ефективності.

У будь-якому випадку необхідна спів­праця з виробниками препаратів – як у консультативній формі, так і з застосуванням аналізу причин у разі отримання низьких результатів.

На сьогодні в Україні використовується 27 біопрепаратів, призначених для фіксації рослинами атмосферного азоту, що становить 27,8 % від загальної кількості усіх біопрепаратів. Вітчизняні мікробіологічні препарати для рослинництва виготовляють такі організації, як Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України, Інститут сільськогосподарської мікробіології і агропромислового виробництва НААН України, Інститут агроекології і природокористування НААН України, БТУ-центр, BIONA та ін.

Наш інститут понад 40 років займається селекцією високоефективних агрономічно корисних штамів азотфіксованих мікроорганізмів, розробкою на їх основі біологічних препаратів, при закладі діє консультаційна група, яка забезпечує науковий супровід застосування препаратів.

Потреба в мікробних азотфіксованих препаратах для рослинництва (бобові та зернові культури) в Україні становить понад 16 млн гектарних порцій щороку.

Відтак виникає необхідність у зведенні сучасних біотехнологічних заводів при інститутах, які мають найновіші інноваційні розробки і висококваліфіковані кадри. Водночас назріла потреба в розробці комплексної Державної програми з використання біологічного азоту в землеробстві України. 

Володимир Моргун, академік НАН України, академік-секретар відділення загальної біології НАН України, директор Інституту фізіології рослин і генетики НАН України

Сергій Коць, член-кореспондент НАН України, заступник директора Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, завідувач відділу симбіотичної азотфіксації

Читайте також:

Істотний вплив азоту

Революційна азотвідновлювальна кукуруд­за. Вільна від добрив.

Биологическая фиксация азота соей