Хімізація рослинництва як основа інтенсивних агротехнологій суттєво підвищує урожайність. Однак виробництво мінеральних добрив і засобів захисту рослин пов’язано з високими енергозатратами, тоді як коефіцієнт використання діючої речовини лишається достатньо низьким: для азотних добрив він становить близько 44%, для калійних — 26%, для фосфорних — 17%. Досить низьким є і коефіцієнт використання засобів захисту рослин. Тому основна частина мінеральних добрив і пестицидів не потрапляє на цільовий об’єкт, а призводить до забруднення навколишнього середовища і рослинних харчових продуктів. Ба більше: виходячи з результатів світового досліду, інтенсифікація землеробства внаслідок хімізації порушує рівновагу біологічних ланцюгів у екосистемах. Тому у світі активно розробляють альтернативні системи землеробства, які забезпечують раціональне використання природних ресурсів, їх збереження та відновлення. Однією з таких систем є розроблення мікробіологічних основ агротехнологій, спрямованих на охорону ґрунтів, збереження та відновлення їх родючості, а також підвищення продуктивності сільськогосподарських культур.
Широкий спектр застосування мікробних біотехнологій
Мікробні біотехнології є невіддільним елементом сучасних інноваційних технологій, які знайшли своє застосування в різних галузях виробництва — фармації, медицині, промисловості, ветеринарії, рослинництві тощо. Значущу частину біотехнологічної продукції сільськогосподарського призначення становлять мікробіологічні препарати для рослинництва, зокрема бактеріальні добрива. Такі препарати містять цільові біологічні агенти — ґрунтові мікроорганізми з агрономічно цінними властивостями (здатність до фіксації молекулярного азоту, трансформації важкорозчинних сполук фосфору, розщеплення полютантів, синтезу гормонів, вітамінів, амінокислот, сполук із бактерицидною, фунгіцидною й інсектицидною дією тощо), а також продукти їх метаболізму.
Бактеріальні препарати застосовують для передпосівної інокуляції насіння, внесення в ґрунт або обприскування рослин упродовж вегетації з метою поліпшення азотного й фосфорного живлення рослин, підвищення їх стійкості до збудників хвороб, зростання продуктивності й поліпшення якості продукції рослинництва, а також для відновлення та збереження родючості ґрунтів.
Отже, практичне застосування біологічних препаратів мікробного походження в агровиробництві є важливим елементом сучасних природоохоронних агротехнологій і певним ресурсом підвищення продуктивності сільськогосподарських культур.
На сьогодні вітчизні мікробіологи створили широкий спектр мікробіологічних препаратів для рослинництва, зокрема інокуляції насіння бобових і небобових культур, у тому числі й культур зернової групи (ярої, озимої пшениці, жита, ячменю й ін.) як стратегічних для продовольчої безпеки України.
Передпосівна інокуляція насіння — біотехнологічний захід, що сприяє формуванню вищих урожаїв сільськогосподарських культур. Унесення на насіння або в ґрунт корисних мікроорганізмів шляхом спеціально розроблених мікробіологічних препаратів на основі селектованих бактеріальних штамів сприяє покращенню росту й розвитку рослин і підвищує їхню врожайність. Це відбувається шляхом стимулювання проростання насіння, поліпшення живлення рослин, активізації фотосинтетичної діяльності, підвищення їх стійкості до абіотичних і біотичних чинників навколишнього середовища.
Розроблення біологічних методів контролю розвитку хвороби рослин є надзвичайно актуальним завданням сучасного агровиробництва, бо дозволяє вирішувати питання збереження довкілля й отримання екологічно чистої сільськогосподарської продукції. Цьому напряму екологічного рослинництва сприяють наукові досягнення мікробіологів і фітопатологів, спрямовані на пошук біологічних агентів, зокрема мікробної природи, що проявляють фунгіцидну активність. Мікроорганізми продукують низку речовин, які здатні гальмувати ріст, споруляцію фітопатогенних грибів, активність їх екзогенних метаболітів, залучених до патогенезу.
Отже, здатність мікроорганізмів пригнічувати розвиток патогенів є однією з агрономічно корисних властивостей, що дозволяє розширити спектр дії мікробіологічних препаратів на їх основі.
Основними вимогами до бактеріальних препаратів є їх екологічність, ефективність, економічність. Це вимагає насамперед отримання корисних ґрунтових мікроорганізмів із природних джерел (ґрунт, коріння та ризосфера рослин, водойми, бульбочки бобових культур) саме методом аналітичної селекції, що зумовлює екологічність базових компонентів бактеріальних добрив.
Методи наукових досліджень
У відділі симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики НАН України методом аналітичної селекції з ризосфери ярої й озимої пшениці виділено ізоляти азотфіксувальних мікроорганізмів T3, Tw2, Tw3. Показано, що в умовах in vitro ці культури характеризувались активним ростом на селективному для азотфіксувальних мікроорганізмів безазотному середовищі Ешбі. Це і визначило їх як мікроорганізми, що здатні до самозабезпечення азотом. Ризобактерії у чистій культурі мали також і суттєві, як для ризосферних мікроорганізмів, показники азотфіксувальної активності (від 1,6 до 3,0 нмоль С2Н4 / млн клітин / год). За комплексом морфолого-культуральних (характеристика клітин, колоній, характер росту на живильних середовищах) і фізіолого-біохімічних властивостей (відношення до кисню, тип метаболізму, субстратна специфічність за вуглеводами, каталазна й оксидазна активності, гідроліз желатину, наявність ензимів ліпази й уреази, утворення сірководню, індолу, нітратредукція) ізоляти T3, Tw2, Tw3 залічено до роду Enterobacter сімейства Enterobacteriacea. На основі цих ризобактерій створено бактеріальну композицію (БК). Установлено, що у вегетаційних дослідах із ґрунтовою культурою передпосівна обробка насіння пшениці ярої сортів Колективна 3 і Рання 93 композицією ризобактерій пшениці сприяла формуванню більшого врожаю рослинами та поліпшувала якість ґрунту внаслідок активного розвитку та функціональної здатності (азотфіксувальної та рістстимуляційної активності) популяції ґрунтових діазотрофних мікроорганізмів. Також установлено, що за недостатнього водозабезпечення рослин пшениці у вегетаційних умовах бактеріальна композиція характеризувалася високою гідропротекторною дією, що дозволило застосовувати її для нормального розвитку рослин у посушливі роки.
В умовах in vitro ми показали (таблиця), що бактеріальна композиція на основі ризобактерій пшениці проявляла фунгітоксичну активність до фітопатогену Alternaria alternate (Fr.) Keissl., бо гальмувала проростання грибних спор. Кількість конідій патогену, що не змогли прорости, за дії мікробної композиції збільшилась від 1,5 до 2,0 разів залежно від бактеріального навантаження суспензії (107–1010 кл/мл). Ступінь гальмування проростання конідій A. alternatа композицією ризобактерій становила від 14,4 до 28,2% і залежала від концентраційного навантаження біологічного агента: захисний ефект збільшувався за збільшення титру мікроорганізмів у діючій суспензії.
Таблиця. Вплив бактеріальної композиції (БК) на проростання конідій Alternaria alternatа (Fr.) Keissl. в умовах чистої культури
Фітопатогени роду Alternaria Nees. — це плісняві недосконалі спороутворювальні гриби, що живуть як сапрофіти на багатьох видах культурних рослин і їх рештках.
Гриби роду Alternaria здатні уражувати всі органи рослини, але найчастіше мішенями є насіння та листя. Вони спричиняють плямистість листків, загнивання сходів, пригнічують проростання насіння, що зумовлено гальмуванням основних фізіологічних процесів, зокрема, інтенсивності фотосинтезу, зменшення доступу світла до рослинних тканин і порушення їх газообміну тощо. Уважають, що з грибів роду Alternaria домінантними видами на насінні зернових культур є A. tenuissima і A. alternata. Гриби за надмірної вологості (понад 96%) і температури не нижчої за 22 °С можуть переходити від сапрофітної форми існування до паразитичної, спричиняючи масове зараження рослин.
Досліджуючи активність проростання насіння пшениці озимої сортів Подолянка та Поліська 90 на чашках Петрі, ми зафіксували зниження ступеня грибного ураження насіння, що проростає, за їх інокуляції бактеріальною композицією ризобактерій, що також може бути свідченням фітопротекторної активності мікробних агентів, які входять до її складу до патогенів насіння пшениці.
Отже, представлені нами результати свідчать про перспективність пошуку мікробних агентів із фунгіцидною активністю, на основі яких можуть бути розроблені екологічні заходи біоконтролю розвитку хвороб культурних рослин.
Олена КИРИЧЕНКО, д-р біол. наук, старший науковий
співробітник відділу симбіотичної азотфіксації
Сергій КОЦЬ, д-р біол. наук, професор, член-кореспондент
НАН України, провідний науковий співробітник відділу
симбіотичної азотфіксації Інститут фізіології рослин
і генетики НАН України
