Регистрация / Вход
Прислать материал

Новое поколение биопрепаратов на основе наноматериалов и ризосферных бактерий, стимулирующих рост растений (PGPR), для улучшения урожайности и питания сельскохозяйственных растений

Докладчик: Кочетков Владимир Васильевич

Должность: старший научный сотрудник, Старший научный сотрудник

Цель проекта:
1. Анализ мирового опыта показывает возрастающую роль биологических средств защиты растений в комплексе природоохранных мероприятий, которые в отличие от химических пестицидов, безвредны для окружающей среды и потребителя. В ризосферных микробных популяциях особый практический интерес представляют бактерии, относящиеся к группе PGPR (cокращение от Plant Growth-Promoting Rhizobacteria - ризосферные бактерии, стимулирующие/улучшающие рост растений). Среди PGPR различных таксономических групп выделяются широким набором полезных для растений свойств ризосферные PGPR, относящиеся к роду Pseudomonas. Данные бактерии активно колонизируют корни растений, стимулируют их рост, индуцируют иммунный ответ растений и подавляют рост почвенных фитопатогенных грибов и бактерий. Псевдомонады имеют короткое время генерации и высокую скорость роста по сравнению с другими ризосферными бактериями, а также легко культивируются в лабораторных условиях. Особый практический интерес представляют PGPR, относящиеся к флюоресцирующим видам бактерий рода Pseudomonas: Pseudomonas fluorescens, P. aureofaciens, P. chlororaphis, P. corrugate, P. putida и т.д. Указанные виды продуцируют широкий спектр биометаболитов, включая сидерофоры, антибиотикоподобные соединения феназинового типа, 2,4-диацетилфлороглюцин, пиолютеорин, пирролнитрин и т.д., супрессирующие рост различных возбудителей болезней растений. Кроме того, некоторые штаммы продуцируют фитогормоны, например индолил-3-уксусную кислоту (ИУК), стимулируя корнеобразование у растений. В настоящее время использование штаммов-продуцентов сидерофоров, антибиотиков, фитогормонов и других биологически активных метаболитов находит широкое применение в современной агробиотехнологии для защиты растений и урожая от фитопатогенов, стимуляции прорастания семян и роста растений, улучшения фосфорного питания растений, стимуляции клубенькообразования у бобовых, получения компостов, супрессирующих возбудителей корневых гнилей растений, улучшения фиторемедиации почв и т.д. Разработкой и производством коммерческих биопрепаратов для сельского хозяйства на основе PGPR активно занимаются практически во всех развитых странах, включая Индию и Россию. Новым перспективным направлением современной агробиотехнологии является исследование влияния наночастиц и наноматериалов на рост и развитие растений и ассоциированных с ними микробных сообществ. Известно, что трехвалентное железо необходимо для синтеза ряда важнейших ферментов у растений и микроорганизмов. Это очень важный элемент в конкурентных взаимоотношениях ризосферных бактерий и почвенных фитопатогенов, который может оказывать влияние на уровень биосинтеза некоторых важных биометаболитов бактерий. Мы предполагаем, что совместное применение ризосферных бактерий, улучшающих рост растений и наночастиц железа(III) даст суммарный положительный эффект на урожайность сельскохозяйственных культур. Однако, поскольку применение наночастиц в сельском хозяйстве является относительно новой областью исследований, требуется проведение дополнительных экспериментов по экологической безопасности новых агробиотехнологий с использованием наночастиц и наноматериалов. 2. Конечной целью научных исследований является разработка новых нанобиотехнологических подходов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур с использованием биопрепаратов, включающих в себя модифицированные наночастицы железа(III) и ризосферные бактерии/биометаболиты, улучшающие рост растений. Конечным продуктом проекта будут новые эффективные биопрепараты для защиты и стимуляции роста растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными результатами совместных исследований будут современные нанобиотехнологии и новые биопрепараты для защиты и стимуляции роста растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

2. Для получения предлагаемых биопрепаратов в качестве агентов биологического контроля планируется использовать новые штаммы ризосферных бактерий рода Pseudomonas из различных геохимических сайтов России и Индии, способных продуцировать широкий круг метаболитов, подавляющих развитие фитопатогенов, индуцирующих иммунный ответ растений и стимулирующих их рост и развитие. Бактериальные штаммы-продуценты новых биопрепаратов, будут детально охарактеризованы по молекулярно-генетическим, физиологическим и биохимическим признакам. На основе солей двух и трехвалентного железа будут разработаны простые и дешевые способы получения магнитных наночастиц железа, а также модифицированных наноматериалов на их основе с пониженной токсичностью для бактериальных клеток и растений. После подбора оптимальных концентраций и размеров наночастиц и наноматериалов для растений и бактериальных клеток будут разработаны новые рецептурные формы биопрепаратов для защиты и стимуляции роста растений. Будут также разработаны оптимальные среды и условия культивирования бактерий для получения и очистки биометаболитов с использованием ферментационных установок. Будут разработаны новые лабораторные рецептурные формы биопрепаратов, включающие в себя различные сочетания наночастиц, наноматериалов, бактериальных клеток и очищенных метаболитов. Наиболее перспективные рецептурные формы будут протестированы в микровегетационных и полевых испытаниях в Индии и России. Новые биопрепараты, полученные с использованием нанобиотехнологий будут протестированы на биологическую безопасность. На заключительном этапе будет проведена оценка возможности коммерческого использования новых биопрепаратов в сельском хозяйстве Индии и России.

3. В настоящее время для защиты и улучшения роста и урожайности сельскохозяйственных культур используют химические и микробиологические биопрепараты, минеральные удобрения, содержащие макро- и микроэлементы, стимуляторы роста растений. Разрабатываются удобрения микроэлементов в форме наночастиц. Известно, что трехвалентное железо необходимо для синтеза ряда важнейших ферментов у растений и микроорганизмов. Это очень важный элемент в конкурентных взаимоотношениях ризосферных бактерий и почвенных фитопатогенов, который может оказывать влияние на уровень биосинтеза некоторых биологически активных метаболитов бактерий. Мы предполагаем, что совместное применение ризосферных бактерий, улучшающих рост растений и наночастиц железа(III) даст суммарный положительный эффект на урожайность сельскохозяйственных культур и позволит снизить химическую нагрузку на почву.

4. Имеется большое количество работ, посвященных влиянию различных наночастиц и наноматериалов на растения и микроорганизмы. Несмотря на то, что подавляющее большинство растений ассоциировано с микроорганизмами, эксперименты по влиянию наночастиц проводятся отдельно либо на растениях, либо на микроорганизмах. Как правило проводятся короткие вегетационные эксперименты (не более месяца) и исследуются молодые растения или проростки. В большинстве работ не учитывается накопление наночастиц в растительных тканях, в том числе в семенах, в результате длительного культивирования. Данные по попаданию наночастиц из семян в следующее поколение растений и в пищевые цепочки практически отсутствуют. Генотоксичность наночастиц для растений описана лишь в нескольких публикациях. В настоящее время отсутствуют стандартные методики, разработанные для проверки фитотоксичности наночастиц и влияния растительной продукции, обработанной наноматериалами, на здоровье животных и человека.

5. При реализации проекта будет исследовано влияния полученных наночастиц железа(III) на ризосферные бактерии, стимулирующие рост растений и сельскохозяйственные культуры. Будут подобраны оптимальные концентрации, размер и модификации наночастиц. Исследовано распределение наночастиц железа(III) в растительных тканях с помощью электронной микроскопии и влияние наночастиц железа(III) на скорость роста и продукцию биологически активных метаболитов у ризосферных бактерий. Будут получены экспериментальные образцы биопрепаратов, включающие в себя наночастицы железа(III) и ризосферные бактерии/биометаболиты, улучшающие рост растений. На заключительном этапе планируется проведение микровегетационных полевых испытаний разработанных биопрепаратов и исследование изменений аборигенной почвенной микрофлоры после их применения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основной областью применения ожидаемых результатов является сельскохозяйственное производство. Ожидаемые результаты будут представлять практический интерес для работников Министерства сельского и лесного хозяйства РФ, а также производителей сельскохозяйственной продукции. Ожидаемые результаты могут быть использованы в действующей программе Университета Северной Махараштры (Джалгаон, Индия) «Lab-to-Land» по обеспечению фермерских хозяйств биопрепаратами нового поколения.

2. Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут способствовать лучшему пониманию молекулярно-биологических и физиолого-биохимических механизмов взаимодействия ризосферных бактерий c фитопатогенами и растениями. Полученные результаты будут представлены на международных конференциях и опубликованы в рецензируемых журналах. Результаты планируемых исследований могут быть использованы для разработки новых подходов и технологий в области сельскохозяйственной биотехнологии и защиты растений.

3. Предполагается, что полученные результаты позволят снизить влияние вредных химических пестицидов на окружающую среду, способствовать получению экологически чистых продуктов растениеводства, осуществить очистку и восстановление агробиоценозов, и тем самым способствовать улучшению здоровья населения России и Индии.

Текущие результаты проекта:
1. Аналитический обзор литературы, затрагивающий проблему разработки и использования микробиологических биопрепаратов и наноматериалов для улучшения урожайности и питания сельскохозяйственных растений, показывает, что исследование и применение наноматериалов в настоящее время затрагивает практически все области человеческой деятельности (энергетика, оптика, микроэлектроника, химическая технология, медицина, легкая, парфюмерно-косметическая, пишевая промышленность и сельское хозяйство). Предлагается применение наноматериалов в сельском хозяйстве в качестве добавок или агентов в удобрениях и средствах защиты растений, т.е. замена традиционных минеральных удобрений препаратами на основе наночастиц. Предполагается, что использование удобрений в виде наноматериалов существенно снизит химическую нагрузку на почву. Имеются литературные данные об увеличении урожайности сельскохозяйственных культур при использовании микроэлементов в форме наночастиц. Тем не менее, в литературе имеются противоречивые данные по влиянию наночастиц металлов, и в частности, железа, на физиологию растений и микроорганизмов. Результаты экспериментов зависят от химической природы наночастиц, их размера, концентрации, модификации поверхности. Практически во всех научных публикациях затрагивается проблема безопасности применения наноматериалов, что связано с отсутствием стандартной методологии по определению их биологической токсичности.
Из литературных данных известно, что некоторые представители ризосферных микроорганизмов являются потенциальными объектами агробиотехнологии для разработки на их основе биологических средств защиты растений от фитопатогенов, а также биопрепаратов, стимулирующих рост и повышающих продуктивность растений. В настоящее время имеется ряд отечественных и зарубежных биопрепаратов, которые успешно применяются как отдельно, так и в комбинации с химическими пестицидами, снижая их дозы. На основе литературных данных проведен анализ методик, касающихся выделения ризосферных бактерий из природных источников и определения свойств ризосферных бактерий, необходимых для разработки биопрепаратов.
2. Проведены патентные исследования по тематике работы в соответствии с ГОСТ 15.011-96. Диапазон поиска включал следующие ключевые слова: ризобактерии, улучшающие рост растений, Pseudomonas, наночастицы оксида железа, биоконтроль, фитопатогены, растительно-микробное взаимодействие, наноматериалы; nanotechnology, iron oxide magnetic nanoparticles, biological product, bioformulation. На основании патентного исследования можно отметить, что применение наночастиц 3-х валентного железа для разработки новых нанобиотехнологических подходов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур с использованием ризосферных бактерий или их биометаболитов находится в русле разработок проводимых в других отечественных и зарубежных институтах и фирмах.
3. Отобраны пробы растений из различных геохимических и климатических сельскохозяйственных сайтов России (4 сайта: г. Пущино, Московская область; д. Снецкая Лука, Орловская область; г. Нижнекамск, республика Татарстан; Краснодарский край: г. Краснодар НИИ БЗР, ст. Северская, ст. Хадыженская) и Индии (г. Джалгаон, штат Махараштра) для изоляции новых ризосферных штаммов бактерий, обладающих фитостимулирующими свойствами (способность продуцировать фитогормоны, антибиотически активные соединения и сидерофоры, колонизировать корневую систему растений).
Из ризосферы растений выделено 105 изолятов. Для дальнейшего скрининга отобрано 70 изолятов, растущих на среде для выделения псевдомонад (55 изолятов относились к флуоресцирующей группе). По результатам скрининга отобрано 13 штаммов флюоресцирующих псевдомонад, стимулирующих рост растений и подавляющих развитие фитопатогенных грибов. В микровегетационных экспериментах определена способность указанных штаммов колонизировать ризосферу однодольных (пшеница) и двудольных (горчица) растений. По результатам эксперимента отобраны наилучшие колонизаторы (6 штаммов).
4. В ходе выполнения проекта разработаны следующие методики: 1) Методика выделения штаммов бактерий из ризосферы растений; 2) Методика определения колонизирующей способности ризосферных бактерий; 3) Методика определения фитостимулирующей способности ризосферных бактерий; 4) Методика определения способности ризосферных бактерий к биоконтролю фитопатогенов.
Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.