Как на дрожжах: какие российские инновации помогут увеличить урожайность сельхозкультур

Острые проблемы современной агрономии — падение плодородия почв, рост числа заболеваний растительных культур и, как следствие, снижение урожайности. Одновременно потребность человечества в пище растет в связи с увеличением численности населения. Как одолеть эти трудности и поддержать растения в непростых условиях, сохранив эффективность хозяйства? Ответы на эти и другие вопросы ищут ученые всей страны, предлагая новые методы увеличения урожая, помогающие поддерживать здоровье растительности. В ход идут самые разные подходы и технологии — от новых препаратов и удобрений до бактерий и наночастиц.

Ускоряя созревание и повышая урожайность

Новый регулятор роста зерновых культур разработали исследователи из Московского физико-технического института и Ярославского государственного технического университета. Инновационное соединение позволяет увеличивать урожай в полтора раза, при этом повышает прорастаемость семян и ускоряет созревание растений на семь-десять дней.

Как отмечают ученые, в основе нового фитогормона впервые использовались соли сульфонилпропионовой кислоты. Структурных аналогов вещества на рынке пока нет.

Препарат прошел несколько этапов испытаний. Влияние нового препарата на всхожесть семян оценивалось в лабораторных условиях на базе ЯГТУ. Роль «испытуемого» играл кормовой овес. Посевной материал разделили на три группы: первая прорастала в воде без вспомогательных средств, вторую погрузили в самый распространенный фитогормон «Эпин», а третью обработали новым регулятором роста. Результаты впечатлили: третья группа семян дала первые корешки уже в течение суток, в то время как вторая — только на третий день, а первая — на пятый.

Высокую эффективность показал фитогормон и во время полевых испытаний на пшенице, проводившихся в агрохозяйстве «Новый путь» в Ярославской области и непосредственно в Ярославле в тепличном комплексе «Горзеленхозстрой». Наибольший прирост урожая после обработки препаратом в сравнении с контрольной выборкой составил от 8,4 ц/га до 12,9 ц/га. Расчеты показали, что в процентном соотношении урожайность пшеницы увеличилась на 41,2–63,0%.

Подробнее о производстве нового регулятора роста растений и особенностях препарата корреспонденту «Научной России» рассказал один из авторов проекта из МФТИ Михаил Алексеевич Терно, участник бизнес-инкубатора IGTech, организованного фондом «Сколково» и Сколковским институтом науки и технологий.

«Сложной и долгой была сама разработка нового и потенциально полезного соединения. Процесс синтеза несложен и доступен для проведения в небольшой лаборатории, эта задача так же легко осуществима на уже имеющихся производствах, — объяснил М.А. Терно. — Для последующей промышленной реализации разработан удобный двухстадийный метод синтеза регулятора роста, основанный на использовании дешевого и доступного сырья отечественного производства. Промежуточный продукт, получаемый на первой стадии, используется на второй стадии без выделения из реакционной смеси, что существенно упрощает технологию получения препарата. Вместо органических оснований и растворителей, традиционно используемых в подобных процессах, в данном проекте используется водный раствор едкого натра (гидроксида натрия NaOH, другое название — каустическая сода. — Примеч. авт.). Это, безусловно, положительно сказывается на экономике проводимого процесса и снижает его токсичность. <…> Предыдущей версии регулятора были присвоены третий класс умеренно опасных веществ и четвертый класс малотоксичных веществ по классификации К.К. Сидорова».

Готовый препарат планируется продавать в двух разных формах: для крупных сельхозпредприятий — в виде концентрата для разбавления; для индивидуальных фермеров, садоводов, дачников и небольших хозяйств — в виде уже готового раствора. М.А. Терно отметил, что из одного грамма концентрата готовятся 10 тыс. л рабочего раствора. Он добавил, что новый регулятор роста может одинаково эффективно применяться для обработки любых зерновых культур.

Проект ученых МФТИ и ЯГТУ получил поддержку от Фонда содействия инновациям в размере 1 млн рублей и стал участником акселерационной программы «Физтех.Идея». В планах исследователей — подать заявку на конкурс для потенциальных резидентов фонда «Сколково».

«Уже одобрена наша патентная заявка на саму молекулу, а также на способы производства и применения препарата. Сейчас проект находится на предкоммерциализационной стадии», — пояснил М.А. Терно.

Обеспечат железом и обогатят почву

Повышать урожайность сельхозкультур с помощью биоудобрений на основе почвенных бактерий предложили исследователи из Казанского (Приволжского) федерального университета.

Ученые обнаружили, что штамм палочковидных микроорганизмов Nocardia mangyaensis NH1, выделенный ими из горных пород, синтезирует более десяти разных веществ, связывающих металлы из окружающей среды. Благодаря этому свойству такие бактерии могут стать перспективной основой для биоудобрений, повышающих доступ растений к ценным микроэлементам.

В числе соединений, синтезируемых Nocardia mangyaensis, — сидерофоры. Эти вещества связывают ионы железа, что позволяет микроорганизмам успешно поглощать труднодоступный металл из почвы и, что особенно важно, передавать его растениям в процессе симбиоза. Недостаток железа вызывает у растительности нарушения дыхания, обмена веществ и синтеза пигмента хлорофилла. Это частая проблема сельскохозяйственных культур, возникающая из-за избытка химических удобрений и других факторов.

Исследовав геном микроорганизмов, ученые выделили кластеры генов бактерий, «программирующих» синтез сидерофоров. Выяснилось, что в производстве сидерофоров участвуют два класса ферментов, синтезирующих разнообразные короткие белковые молекулы (пептиды), необходимые для последующего образования самих сидерофоров. Изучение этих ферментов пригодится для развития биоинженерных разработок в разных сферах, включая сельское хозяйство.

И это не все. Оказалось, что изученный штамм бактерий также вырабатывает вещества, проявляющие антиоксидантную и противогрибковую активность, поэтому препараты на основе Nocardia mangyaensis могут помочь в борьбе с заболеваниями растений. В частности, выделяемые микроорганизмами соединения эффективно действуют против наиболее распространенных грибков, заражающих пшеницу и картофель.

«Полученные нами данные необходимы для разработки биоудобрений и биопестицидов путем направленной модификации бактерий для оздоровления почвы, увеличения урожайности и повышения устойчивости растений к различным стрессорам», — передает пресс-служба Российского научного фонда слова руководителя проекта, доктора биологических наук, профессора кафедры микробиологии КФУ Маргариты Рашидовны Шараповой.

Исследование получило поддержку РНФ. Результаты научной работы были представлены в международном журнале Scientific Reports.

Двухэтапное воздействие

Метод, позволяющий на 24% увеличить урожайность яровой пшеницы, разработали исследователи из Казанского государственного аграрного университета. Секрет — в особой двухэтапной обработке растений биологическим препаратом «Псевдобактерин-2». Он основан на живых бактериальных клетках и выполняет сразу несколько полезных функций: подавляет развитие фитопатогенов (мучнистой росы, фитофтороза и др.), стимулирует рост сельхозкультур, защищает их от стресса и улучшает питание растений.

По новаторской технологии пшеницу нужно обрабатывать препаратом дважды: в момент начала формирования колоса и за две недели до уборки урожая. При этом на втором этапе «Псевдобактерин-2» смешивается со специальным глифосатсодержащим препаратом, ускоряющим созревание семян и упрощающим уборку урожая. Подход позволяет подсушить растения, одновременно сохранив их здоровье. При этом сочетание искусственного подсушивания посевов (десикации) с применением биопрепарата помогает снизить количество используемых химикатов, что делает такую обработку экологичнее и экономически выгоднее. Агрономам не потребуются дорогие препараты, а сам метод можно легко реализовать с помощью уже имеющейся в хозяйствах техники.

Подход уже прошел испытания на опытных полях вуза в татарстанском хозяйстве «Агрофирма “Игенче”». Препаратом обработали посевы яровой пшеницы сорта «Йолдыз». Технология показала высокую эффективность, позволив не только повысить урожайность, но и улучшить качество зерна. Кроме того, обработка полностью избавила растения от опасной болезни семян «черный зародыш», при том что в контрольной группе ее распространенность достигала 24,3%.

Фуллерен на ячменных полях

Технологию повышения урожайности ячменя создали ученые Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и ФИЦ «Немчиновка». В качестве стимулятора исследователи предложили использовать водные дисперсии фуллерена C60 или его производных. Эта аллотропная модификация углерода входит в состав сажи, распространена в природе и малотоксична для человека.

Испытания инновации в подмосковном опытном хозяйстве показали, что обработка семян ячменя перед посевом и затем самих растений в фазе кущения небольшими количествами таких смесей помогает увеличить урожайность культуры на 7–31%. При этом новый метод позволил повысить сразу несколько важных показателей, отражающих эффективность хозяйства. Среди них — количество стеблей и продуктивных стеблей на 1 м², масса зерна, получаемого с главного колоса, масса 1 тыс. зерен.

Исследование играет важную роль для российского сельского хозяйства: в нашей стране ячмень составляет около 25% валового сбора зерна. Это основная зерновая культура для кормления скота и домашних птиц. Кроме того, ячмень занимает четвертое место в мире среди зерновых культур по производству после пшеницы, риса и кукурузы.

Каким образом новая технология приводит к такому результату? Ученые считают, что дело в антиоксидантных свойствах фуллерена и его соединений и их положительном влиянии на структуру клеточных мембран растений. Эти эффекты снижают окислительный стресс посевов, развивающийся из-за влияния на растительные культуры нездоровых условий.

Метод разрабатывался при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Разработка уже получила патент.

В помощь подсолнечнику

Еще одна критически важная сельскохозяйственная культура для России — подсолнечник. Наша страна входит в число мировых лидеров по производству и экспорту подсолнечного масла, активно развивается торговля этим продуктом с Индией и Китаем. Новое серосодержащее удобрение, помогающее почти в полтора раза увеличить урожайность подсолнечника, представили исследователи из уже известного нам Казанского ГАУ.

Тестирование инновации прошло на базе татарстанского ООО «Агробиотехнопарк». Удобрение испытали на гибридах подсолнечника «Антемис» и «Террасми», выращиваемых на серых лесных почвах, в которых содержится мало серы. Внесение подкормки в количестве 150 кг на 1 га помогло не только повысить урожайность, но и на 43% увеличить массу семян, получаемых с одной корзинки цветка: с 69 г до 98 г. Кроме того, сера играет важную роль в обмене веществ растений и повышает их стрессоустойчивость, поэтому применение серосодержащих удобрений также улучшает характеристики продуктов. Вместе увеличение объема и рост качества урожая помогут отечественным хозяйствам поддерживать конкурентоспособность на мировом рынке.

Троянский конь для опасных бактерий

Необычный метод повышения всхожести и увеличения урожайности культурных растений разработала команда ученых из Сибирского института физиологии и биохимии растений Сибирского отделения РАН и Сибирского федерального университета. Технология была испытана на сое и позволила увеличить ее всхожесть на 50%, а урожай — на 30%.

В основе подхода — обработка растений композитными наночастицами, помогающими повышать устойчивость сои к болезнетворным бактериям и стимулировать всхожесть и рост не только здоровых, но и уже зараженных посевов. В роли матрицы в новых наночастицах выступают природные полисахариды крахмал, арабиногалактан и каррагинан, применяемые в производстве пищи и биологически активных добавок. В качестве наполнителя используются селен и марганец. Принцип действия такого препарата прост: обманутые сахарной «оберткой» бактерии с удовольствием поглощают частицы, однако внутри их ждет отрава в виде селена и марганца — элементов, которые вредоносные микроорганизмы не могут усвоить.

Технологию испытали на микроорганизмах Pectobacterium carotovorum, вызывающих появление мягкой гнили не только на сое, но и на картофеле, моркови, луке, перце, салате и других растительных культурах. В дальнейшем исследователи планируют изучить, как новые наночастицы влияют на работу стрессовых генов растений.

Использование в основе препарата природных веществ — важное решение, позволяющее снизить воздействие на природу химикатов, широко применяемых в современных хозяйствах для уничтожения растительных патогенов. Часть этих синтетических соединений опасны для здоровья человека и животных.

Засолению вопреки

Одна из актуальных проблем сельского хозяйства планеты — засоление почв, препятствующее выращиванию культурных растений. Технологию, повышающую эффективность проращивания семян томатов в засоленных почвах, представили ученые из Академии биологии и биотехнологий Южного федерального университета вместе с коллегами из Индии.

Разработчики обращают внимание на неутешительный прогноз: вероятно, что к 2050 г. больше половины пахотных земель Земли окажутся засолены, а это сделает их практически непригодными для выращивания фруктов и овощей. Чтобы снизить стресс растений в таких недружелюбных условиях, ученые разработали наночастицы на основе оксида цинка, в растворе которых предлагается замачивать семена культуры перед посадкой. Эксперименты показали, что наиболее эффективно действует обработка в течение шести часов: при такой длительности замачивания семена впоследствии проросли в засоленной почве на 12,6% успешнее и на 20% быстрее, чем необработанные образцы.

Научная работа ведется по программе «Приоритет-2030» в рамках национального проекта «Наука и университеты». В планах исследователей — адаптировать технологию для разведения других культур и стандартизировать ее для массового применения в фермерских хозяйствах. 

Источники

Комментарий М.А. Терно

Московский физико-технический институт. Фитогормональный фон: российские ученые создали инновационный регулятор роста зерновых культур

Российский научный фонд. Биоудобрения из горных глубин: актинобактерии помогут сельскохозяйственным растениям избежать дефицита железа 

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Смоленской области. Биопрепараты «Ризоплан» и «Псевдобактерин-2»

«RT на русском». Екатерина Кийко, Надежда Алексеева. На основе бактерий: российские ученые открыли способ повышения урожайности сельхозкультур

«РИА Новости». Российские ученые нашли способ повысить урожайность пшеницы

Министерство науки и высшего образования РФ. Разработан новый способ повышения урожайности ячменя

«РИА Новости». Российские ученые нашли способ повысить урожайность подсолнечника

Сибирский федеральный университет. Ученые создали «сахарные» препараты для увеличения урожая

ТАСС. Ученые создали наночастицы для повышения урожайности на засоленных почвах  

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: Николай Малахин / «Научная Россия» 

Фото на главной странице: pvproductions / фотобанк Freepik

Фото в тексте: Елена Либрик, Николай Малахин, Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, KamranAydinov / фотобанк Freepik.