Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) разрабатывают экологичный подход, который основан на биоинженерии для управления системой микробиома «почва-растение». Определенные добавки к почве, в частности, биоуголь, помогут улучшить систему микробиома почвы и растений, сообщили в пресс-службе вуза.

Из-за сильного влияния агрохимикатов биотические и абиотические стрессы отражаются на здоровье почвы. Стресс, вызванный засухой, негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур и часто приводит к дефициту продовольствия. Растения обладают сложными метаболическими системами, способными противостоять засухе, но их способности не всегда позволяют успешно справиться с внешними факторами. Внедрение экологически чистых внешних добавок может существенно увеличить рост и повысить продуктивность засухоустойчивых растений, уверены ученые.

Над решением этой проблемы работают в Академии биологии и биотехнологии имени Д.И. Ивановского ЮФУ, в том числе ведущий научный сотрудник Вишну Д. Раджпут. По его словам, микробиом почвы и растений обладает значительным потенциалом для того, чтобы служить основным компонентом продовольственной безопасности за счет снижения вредоносного влияния, вызванного засухой.

В недавнем исследовании, результаты которого опубликованы в журнале «Environmental Geochemistry and Health», ученый определил, что ризосферный микробиом (корневой микробиом, динамичное сообщество микроорганизмов, связанных с корнями растений) меняет «правила игры» на пути к восстановлению функционирования почвы. Он регулирует круговорот питательных веществ, разлагает органическое вещество, определяет структуру почвы, подавляет стрессы растений и поддерживает их продуктивность. Добавление микробов и биоугля улучшило свойства почвы и повысило доступность питательных для усвоения растениями веществ.

Ранее ученые ЮФУ уже производили различные виды биоугля в лабораторных и модельных экспериментах. В этот раз они исследовали пользу биоугля в почвенной системе. Благодаря пористой структуре биоуголь обеспечивает среду обитания для микробов и создает питательные вещества для их функционирования. Идея исследователей заключается в том, чтобы использовать биоуголь для повышения функциональности ризосферных микробов, что улучшит биологические и химические свойства почвы.

«Внесение биоугля, толерантных микробов и микоризных грибов улучшает микробную функциональность почвы и способствует росту растений. Ризобактерии и микоризные грибы, стимулирующие рост растений, продемонстрировали фитостимулирующее поведение, которое поддерживает рост растений даже в засушливых условиях. Применение биоугля активизировало все эти механизмы и обеспечило лучшую среду обитания для роста. Мы использовали микоризные грибы (корневые симбионты). Они обеспечивают растение-хозяина питательными веществами, такими как фосфаты и азот», — рассказал Вишну Д. Раджпут.

Работа подготовлена командой Международной лаборатории нанобиотехнологий ЮФУ совместно с индийскими коллегами (Университет Веер Бахадер Сингх Перванчал).

Ученые занимались редактированием генома CRISPR/Cas9 (новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий). В этом проекте применили метод дробовика (Shotgan секвенирования). Он предполагает случайное разбиение генома на небольшие фрагменты ДНК, которые секвенируются индивидуально. Именно этот метод исследователи планируют развивать на базе лаборатории и уже внедряют в свои научные проекты.

Так, с помощью этого метода появилась возможность редактировать геномы ризосферных микробов для улучшения их свойств и устойчивого развития в условиях засухи. Это важно, поскольку такие микробные сообщества чрезвычайно важны для улучшения здоровья и плодородия почвы.

«Наша группа эффективно работает с различными типами биоугля: биоугольными композитами с наноматериалами и биоуглем, интегрированным с эффективными микробами. В этой работе мы используем биоуголь для повышения функциональности почвенного ризосферного микробиома, микробов, которые находятся ближе к корневой зоне растений. Активизация деятельности этих микробов корневых зон увеличила доступность основных элементов для растений, что привело к улучшению роста растений. Это — биоинженерный подход к устойчивому развитию ризосферного микробиома. Мы уже выяснили, что биоуголь, включая нанобиоуголь, обеспечивает лучшую среду обитания для микробной функциональности и развития колонии», — подчеркнул Вишну Д. Раджпут.

Как уточнили ученые ЮФУ, консорциум ризобактерий и микоризных грибов, стимулирующих рост растений, в биоугле может быть применен непосредственно в почве. Причина в том, что использование биоугля уменьшает количество последствий изменения климата. Основное преимущество этой технологии: биоуголь использует биомассу таким образом, что углерод удерживается и хранится, в отличие от прямого сжигания. Успех технологии зависит от различных факторов окружающей среды, степени засухи и температур, климатических условий и типов почв, а также от растительности и применения удобрения. Тем не менее консорциум микробов, интегрированных в биоуголь, может быть применен на полевом уровне с наибольшей эффективностью и производительностью.

Разработка передовых научных подходов, технологий и стратегий по охране и восстановлению почвы – важная задача стратегии ЮФУ по Программе «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»).