Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ризобактерии, улучшающие рост растений, pseudomonas, наночастицы оксида железа, биоконтроль, фитопатогены, растительно-микробное взаимодействие, наноматериалы, феназины, сидерофоры, электронная микроскопия

Цель проекта:
1. Реализуемый проект направлен на решение задачи разработки нового поколения микробиологических препаратов для улучшения урожайности сельскохозяйственных растений. 2. Цель проекта − разработка новых нанобиотехнологических подходов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур с использованием биопрепаратов, включающих в себя наночастицы железа(III) и ризосферные бактерии/биометаболиты, улучшающие рост растений.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными результатами 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, изолированные 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом проекта будут являться новые эффективные биопрепараты для защиты и стимуляции роста растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
2. Новизна научных решений и методик, применявшихся при выполнении проекта, состоит в комплексном подходе для оценки фитостимулирующих свойств у выделенных ризосферных бактерий. Учитывались следующие свойства бактерий: стимуляция роста и улучшение минерального питания растений, защита растений от фитопатогенов, устойчивость бактерий к стрессовым условиям окружающей среды. Для подтверждения положительного эффекта бактерий на растения были проведены микровегетационные эксперименты с искусственным фитопатогенным фоном.
В настоящее время для защиты и улучшения роста и урожайности сельскохозяйственных культур используют химические и микробиологические биопрепараты, минеральные удобрения, стимуляторы роста растений. 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.
3. В настоящее время 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 растения не выращивают целый вегетационный период и не учитывают накопление наночастиц в растительных тканях.
Мы предполагаем, что исследование влияния наночастиц железа(III) на растения и ризосферные бактерии, позволит расширить наши знания в области растительно-микробного взаимодействия, физиологии и экологии ризосферных бактерий. В результате проведенных работ мы сможем определить влияние наночастиц железа(III) на рост и развитие растений и накопление/передвижение их в растительных тканях; влияние наночастиц на физиологические особенности роста ризосферных бактерий и их фитостимулирующие характеристики (продукция фитогормонов, антибиотически активных соединений и сидерофоров, колонизации корненой системы, подавление фитопатогенных грибов).
4. Различные климатические условия Индии и России и разные геохимические типы почв расширяют возможности поиска новых штаммов ризосферных бактерий, обладающих уникальными особенностями, необходимыми для разработки нового поколения биопрепаратов. Особый интерес будут представлять полевые испытания новых препаратов в различных климатических условиях Индии и России. Российская и индийская исследовательские команды взаимно дополняют друг друга по методам и подходам в области разработок коммерческих биопрепаратов. Обе команды обладают уникальными коллекциями ризосферных штаммов Pseudomonas, перспективных для получения новых высокоактивных биопрепаратов для защиты растений от фитопатогенов. Российская команда имеет хороший опыт молекулярно-генетического анализа бактерий с использованием специфических праймеров и проб ДНК для идентификации штаммов-продуцентов биологически активных соединений, а индийская команда обладает уникальным опытом выделения и очистки различных биологически активных метаболитов микроорганизмов, включая фитогормоны, сидерофоры, феназины, экзополисахариды, биосурфактанты и т.д. Имеется хороший опыт в изучении ключевых ферментов, участвующих во взаимодействии ризосферных микроорганизмов с растениями и фитопатогенами, включая липазу, оксидазу, фитазу, целлюлазу, ксиланазу, пектиназу, АСС деаминазу и т.д. Росcийской стороной разработаны оригинальные способы получения магнитных наночастиц железа и их модификации. Коллектив обладает уникальной опытно-технологической установкой, представляющей собой базу ферментеров и вспомогательного оборудования, необходимых для разработки и промышленного получения различных биопрепаратов и продуктов микробиологического синтеза. Оба коллектива имеют большой опыт проведения микровегетационных и полевых испытаний агентов биологического контроля и практический опыт разработки коммерческих биопродуктов для России и Индии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основной областью применения полученных результатов является сельскохозяйственное производство. Полученные результаты представляют практический интерес для работников Министерства сельского и лесного хозяйства РФ, а также производителей сельскохозяйственной продукции.
2. Отобранные в ходе выполнения проекта штаммы будут являться основой для разработки биопрепаратов нового поколения для защиты и улучшения роста сельскохозяйственных растений. Возможно использование предлагаемых препаратов при озеленении городских территорий и восстановлении ландшафтов. Полученные результаты могут быть использованы в действующей программе Университета Северной Махараштры (Джалгаон, Индия) «Lab-to-Land» по обеспечению фермерских хозяйств новыми биопрепаратами. Полученные результаты будут способствовать лучшему пониманию молекулярно-биологических и физиолого-биохимических механизмов взаимодействия ризосферных бактерий c фитопатогенами и растениями.
3. Полученные результаты (новые штаммы ризосферных бактерий/биопрепараты на их основе), в случае их применения, позволят снизить влияние пестицидов на окружающую среду, способствовать получению экологически чистых продуктов растениеводства, и тем самым способствовать улучшению здоровья населения России и Индии.
4. 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.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта исследован метаболический профиль отобранных на первом этапе проекта ризосферных штаммов, обладающих фитостимулирующими и антагонистическими свойствами. Показано, что из 17 отобранных штаммов 10 продуцировали антибиотически активные феназиновые соединения (феназин-1-карбоновую кислоту, феназин-1-карбоксамид, 2-гидроксифеназин), 11 – цианид водорода, 8 – биосурфактанты. Все исследуемые ризосферные штаммы синтезировали от 3 до 18 мкг/мл ауксинов.
Проведено исследование устойчивости ризосферных бактерий к тяжелым металлам, галотолерантности, способности к фиксации азота и растворению фосфатов. Показано, что из 17 исследованных ризосферных штаммов 12 росли при повышенных концентрациях (5%) хлористого натрия в среде выращивания. Исследуемые штаммы имели низкий уровень устойчивости (1−2 мМ) к сульфату меди и сульфату цинка (кроме штаммов P8-2 и IC7) и были чувствительны к хлориду никеля, нитрату кадмия и сульфату кобальта (МТК менее 1 мМ). 12 исследуемых штаммов способны растворять гидроксиапатит кальция (единственный источник фосфора в среде культивирования), причем 9 штаммов обладают выраженной фосфатмобилизующей активностью. Отобранные штаммы не были способны к фиксации атмосферного азота.
Способность ризосферных штаммов стимулировать рост растений и защищать их от фитопатогенов исследована в условиях искусственного фитопатогенного фона в присутствии R. solani (2 г мицелия/кг грунта). При внесении R. solani инокуляция проростков огурца ризосферными штаммами P. chlororaphis Or3-3 и P4-1 обеспечивала прирост массы корней на 16–27% и надземной части на 15–24% по сравнению с неинокулированными растениями. В чистом грунте без внесения R. solani инокуляция проростков огурца штаммом P. chlororaphis Or3-3 обеспечила прирост массы корней на 17% и надземной части на 30% по сравнению с неинокулированными растениями.
В ходе выполнения этапа проекта идентифицированы наиболее перспективные для создания биопрепаратов ризосферные бактерии. Показано, что 17 отобранных на первом этапе проекта штаммов относятся к флюоресцирующим псевдомонадам. Среди них можно выделить три эволюционно близкие группы бактерий: P. putida, P. fluorescens и P. chlororaphis.
Разработаны способы получения парамагнитных наночастиц окиси железа необходимых размеров, а также модифицированных наноматериалов на их основе с пониженной токсичностью для бактериальных клеток и растений.
Средний размер у частиц, модифицированных фосфатами составляет 120.8 нм, силикатами – 86.25 нм. Силикатные частицы агрегируют быстрее фосфатных. Образующиеся комплексы состоят в основном из димерных и тримерных субмикронных частиц и не содержат быстро выпадающих в осадок крупных конгломератов.
Проводится исследование влияния парамагнитных наночастиц окиси железа и модифицированных наноматериалов на жизнеспособность ризосферных бактерий и растений.
Таким образом, в ходе выполнения проекта отобраны и идентифицированы новые, перспективные для создания биопрепаратов штаммы PGPR Pseudomonas, обладающие комплексом полезных для растений свойств: защита растений от фитопатогенных грибов родов Gaeumannomyces, Fusarium, Rhizoctonia за счет продукции феназиновых антибиотиков (феназин-1-карбоновой кислоты, феназин-1-карбоксамида, 2-гидроксифеназина) и цианида водорода; продукция фитогормонов ауксинов, биосурфактантов, фосфатмобилизующая активность, галотолерантность. Способность отобранных штаммов стимулировать рост растений и защищать их от фитопатогенов подтверждена в стерильных экспериментах с искусственным фитопатогенным фоном.