Перспективы использования биоресурсов Арктики в растениеводстве

Петров С.А., Ренев Е.П., Симонов О.А., Субботин А.М., Тимофеев В.Н.

Наши предки, взявшие под свой контроль громадные холодные территории, вряд ли предполагали, что эти суровые края обладают еще одним ценнейшим ресурсом – уникальной Арктической микрофлорой. Микроорганизмы, извлеченные из глубин многолетнемерзлых пород (ММП) — живые существа, приспособившиеся к выживанию в тяжелейших Арктических условиях. Как показывают выполненные исследования, ряд этих микроорганизмов, потенциально обладают целым набором полезных для человека качеств. Так уже известно о геропротекторных [Брушков А.В. и другие. 2009] и репарационных [Калёнова и другие 2014] их свойствах. Перспективно их использование в качестве иммуностимуляторов и стимуляторов роста для сельскохозяйственных растений и животных [Калёнова и другие 2013].

Изучение извлеченных из ММП бактерий, создание препаратов на их основе, отработка технологий применения этих препаратов открывают путь к использованию еще одного уникального Арктического богатства – древних бактериальных ресурсов. Имеющиеся в распоряжении авторов материалы научно-исследовательских работ показывают, что применение реликтовых бактерий может принести практическую выгоду и для разных сфер сельхозпроизводства, в том числе и для во многом определяющей отрасли сельского хозяйства – растениеводства.

Особенности растениеводства Тюменской области

В Тюменском регионе резко континентальный климат, характеризующийся холодной продолжительной зимой и коротким, умерено жарким летом. По итогам пятилетних наблюдений минимальная продолжительность теплого периода составила 112 дней. Для нашей зоны характерна быстрая влажная весна (до 80% среднегодового количества осадков выпадает весной и осенью), поздние заморозки (заморозки возможны до 12 июня), летние засухи, осенние дожди и быстрое наступление холодов (первый осенний заморозок возможен с 19 августа).

Традиционными для нашей полосы являются зерновые культуры: озимая рожь, овес, ячмень и пшеница, горох. Озимая рожь, овес, зачастую используются в продовольственных целях, ячмень — для кормления животных. Пшеница выращивается мягких сортов и обычно вызревает до четвертого или третьего класса, что позволяет использовать её для производства муки. Перспективными для выращивания являются такие культуры, как рапс, кукуруза, соя, голозерный овес. Кукуруза используется для кормления сельскохозяйственных животных в виде силоса, потребность в рапсе и в сое создают расположенные в регионе заводы технической переработки, крупные птицефабрики и высокий уровень развития молочного животноводства. Голозерный овес, благодаря своему уникальному аминокислотному составу, так же востребован птицеводами.

Уровень развития агротехнологий в растениеводстве Тюменского региона достаточно высокий, что позволяет получать солидные урожаи, обычно больше чем 30 ц/га. Как правило цепочка технологических операций состоит из предпосевной обработки семян протравителями, внесения удобрений, химической прополки гербицидами и защиты инсектицидами и фунгицидами от вредных объектов в период вегетации. Традиционная обработка почвы – это зяблевая вспашка и предпосевное культивирование, хотя в последнее время широкое распространение получили различные варианты стерневых технологий. Короткий теплый период и высокая нагрузка в период посевных — уборочных работ требует от сельскохозяйственных производителей высокой энергооснащенности. Средние затраты сельхозтоваропроизводителей на гектар составляют 12-15 тыс.рублей за весь цикл полевых работ.

В целом для наших природных условий характерны следующие особенности растениеводства:

- посев производится в холодную, часто переувлажненную почву, так как сроки посевной компании очень ограничены. Это приводит к неравномерным всходам, понижению полевой всхожести, увеличению уровня поражения растений корневыми гнилями, что в совокупности приводит к ухудшению качества зерна и понижению урожая;

- возможно завышение нормы высева семян, данный прием уменьшает негативное влияние июньской засухи, что приводит к уменьшению продуктивных стеблей, но и существенно повышает уровень затрат;

- летние засухи приводят к тому, что растение стремясь выполнить свою генетическую программу формирует слабый колос и, в результате снижается урожайность;

- короткий период вегетации способствует культурам позднего срока посева дозревать в условиях низких положительных температур, что снижает качество продукта, затягивает сроки уборки и увеличивает затраты;

- высок риск возделывания теплолюбивых культур (рапс, кукуруза, соя), в связи с возможностью возврата поздних заморозков и озимых культур (тритикале, озимая пшеница) так как культуры осенью могут не успеть пройти необходимую фазу развития и приспособлены к более мягким зимам, но данные культуры с более высоким потенциалом урожайности и применением в сфере животноводства и переработке.

Из всего вышесказанного следует, что препараты, ускоряющие рост растений и позволяющие устойчиво развиваться в условиях низких температур перспективны для промышленного внедрения в растениеводстве.

Биологический материал

Биологический материал получен из кернов ММП, предоставленных ТюмНЦ СО РАН А.В.Брушковым (ТюмГНГУ). Керны отобраны из разведочных скважин в районе Тарко-Сале с глубин от 2 до 32 метров. Из образцов выделены различные штаммы бактерий рода Bacillus — ближайшие родственники которых наши современные микроорганизмы этого рода широко используются в различных отраслях человеческой практики. Так, широко известен медицинский препарат бактисуптил, биостимулятор фитоспорин, моющие средства на основе этих бактерий и т.д.

Выделенные из ММП бактерии способны к замедленному метаболизму и могут длительно сохраняться в условиях низких температур. Они были вынуждены адаптироваться к неблагоприятным факторам среды и, следовательно, могут обладать высокой приспособляемостью к почвенно-климатическим условиям Западной Сибири. В работах по изучению воздействия штаммов рода Bacillus выделенных из ММП на растения применялись штаммы, прошедшие проверку безопасности для животных в соответствии принятыми в Российской федерации методиками и правилами.

Лабораторные испытания

Лабораторные испытания воздействия бактерий из ММП на различные растения проводились в течение длительного времени специалистами ТюмНЦ СО РАН (более пяти лет), часть их повторены в НИИСХ Северного Зауралья в 2014 году. Взаимодействие двух научно- исследовательских организаций регламентировано договором о совместной научной деятельности. В рамках этого договора исследования ТюмНЦ СО РАН носят в основном поисковый характер, их цель — выявить особенности воздействия имеющихся штаммов бактерий на растения, в том числе и для подбора наиболее перспективных для технологического использования микроорганизмов. Работа специалистов НИИСХ Северного Зауралья направлена на отработку технологии применения препаратов в сельскохозяйственном производстве, организацию полевых испытаний и сравнение действия препаратов, изготовленных на основе бактерий из ММП, с другими препаратами.

В результате многолетней работы ученых накоплен значительный объем экспериментального материала. Но вследствие того, что исследования проводились с различными целями и по различным методикам, его некорректно сравнивать количественно. Несмотря на то, что в распоряжении авторов имеются данные, более ярко демонстрирующие ниже обсуждаемые результаты, для иллюстрации их выбраны исследования, выполненные в НИИСХ Северного Зауралья в 2014 году. Эти исследования выполнены по принятым в сельскохозяйственной отрасли стандартам, с необходимой степенью достоверности, квалифицированными специалистами, имеющими многолетний опыт подобных исследований. В работе использовался только один штамм бактерий, подготовленный в ТюмНЦ СО РАН, который был передан в НИИСХ Северного Зауралья для проведения лабораторных и полевых испытаний с соответствующей инструкцией по его применению, поэтому далее по тексту мы будем говорить об испытаниях этого биопрепарата.

Всхожесть и энергия роста

Под всхожестью понимают процент проросших семян, а под энергией роста скорость прорастания семян. Повышая энергию семян, увеличиваем полевую всхожесть за счет семян со слабой активностью. Обычно эксперимент проводят в чашках Петри, в которых помещаются семена на слой увлажненной фильтровальной бумаги. Одновременно закладывается несколько повторений опыта. Через определенное время подсчитывается количество проросших семян.

Накопленный экспериментальный материал позволяет сделать вывод — под влиянием определенных штаммов микроорганизмов из ММП повышается всхожесть семян и энергия роста. В ряде опытов, фиксировалось значительное (более чем на 20%) увеличение этих показателей.

Таблица 1. Данные опыта по определению всхожести и энергии роста семян.

Культура	Всхожесть, %		Энергия роста, %
	Контроль	Опыт	Контроль	Опыт
Соя	80	85	68	76
Горох	91	94	84	87
Овес г/з	94	97	90	93

В НИИСХ Северного Зауралья впервые выполнены эксперименты для трех важных для нашего региона культур: сои (сорт СибНИИК 315), гороха (сорт Кумир) и овса голозерного (сорт Тюменский голозерный). Данные опытов приведены в [Таблица 1] и подтверждают сделанный выше вывод о влиянии бактерий из ММП на такие важнейшие производственные характеристики семян как всхожесть и энергия роста.

Сила роста семян

Сила роста семян характеризуется зеленой массой образовавшихся за определенное время ростков, массой корней, а также другими морфологическими показателями растений. Для этих исследований растения высеваются в специальные емкости, заполненные прокаленным песком, культивируются в равных условиях.

Рисунок 1. Эксперимент по определению силы роста растений.

Рисунки 1 и 2 иллюстрируют ход таких экспериментов, в таблице 2 приведены данные для трех уже обозначенных выше культур. Данные таблицы — отношение количественных показателей в опытах с использованием бактерий к значениям контрольных групп.

Рисунок 2. Определение силы роста для сои.

Из приведенных данных следует, что использование биопрепарата стимулирует рост растения на ранних периодах его развития, что приводит к значительному улучшению морфологических показателей. Этот вывод подтверждается имеющимся экспериментальным материалом, полученным в других опытах другими исследователями и на других культурах.

В обсуждаемом цикле экспериментов выполнялась фитоэкспертиза семян: семена помещались в рулон фильтровальной бумаги, проращивались, затем специалистом выполнялась оценка количества и типа возникших заболеваний. В результате экспертизы не выявлено влияния бактерий на развитие (p. Alternaria spp, р. Fusarim spp, р. Ascochyta, Bipolaris sorokiniana) типичных для растений заболеваний.

Таблица 2. Процентное увеличение силы роста под действием бактерий из ММП.

Культура	Количество растений, %	Ростки, %	Корни, %
Соя	112,8	111,1	126,4
Горох	101,2	110,2	102,5
Овес голозерный	116,4	124,2	116,7

Повышение холодостойкости сельскохозяйственных культур

Холодостойкость растений характеризуется коэффициентом холодостойкости, который показывает способность растения развиваться при пониженных температурах.

Ниже представлены данные по изменению холодостойкости сои при обработке биопрепаратом. В опыте семена проращивали в лабораторных условиях в течение 20 дней при температуре 22±1,5ºС и в холодильной камере при температуре +10+1,5⁰С. Опыт повторяли многократно, данные опытов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Холодостойкость сои.

	Коэффициент холодостойкости, %
Контроль	74,1
1-е повторение	102,0
2-е повторение	83,0
3-е повторение	95,3
4-е повторение	91,4
5-е повторение	96,4
Средние значение	93,6

Некоторое увеличение холодостойкости при обработке семян изучаемым биопрепаратом наблюдалось для всех исследованных культур (пшеница, ячмень, овес, горох), но наиболее сильно отреагировала соя, уровень холодостойкости которой увеличился в ряде опытов более чем на 20%.

Обобщение лабораторных исследований

Накопленный в ходе экспериментальных исследований материал позволяет заключить, что при обработке семян определенными штаммами бактерий из ММП они воздействуют на растение как биологический стимулятор, что приводит к:

1) Увеличению всхожести семян на 3-5%

2) Повышению силы роста семян на 6-12,0%

3). Увеличению энергии прорастания семян на 3-8%

4). Повышению холодостойкости растений на 19,5%

Полевые испытания

Полевой опыт проводился на делянках размером 20м х 1м, на которых в четырех повторностях для каждой культуры изучалось влияние предпосевной обработки семян биопрепаратом ТюмНЦ СО РАН. Обработка семян производилась путем опрыскивания за час до посева. При проведении опыта соблюдалась принятая в институте технологическая цепочка: обработка почвы, внесение удобрения, нормы высева, глубина заделки семян, обработка фунгицидами и гербицидами. Опыты проводились на пшенице сорта Икар, ячмене сорта Абалак, овсе сорта Отрада, горохе сорта Кумир и овсе голозерном — Тюменский голозерный. Одна из экспериментальных делянок показана на фотографии (Рис. 3)

Специалистами оценивался широкий круг параметров; густота всходов растений, фитосанитарное состояние, выполнен структурный анализ растений, определено содержание каротина и учет урожайности.

Рисунок 3. Делянка пшеницы, обработанной бактериями.

Следует отметить, что из-за погодных особенностей вегетационного периода 2014 года произошла задержка развития растений на срок более чем 14 дней. К этому привело недостаточное обеспечение теплом в июле, сумма среднесуточных температур в этом месяце был на 4⁰С ниже нормы и составила 78% от нормы. Это привело к тому, что растения находились в стрессовом состоянии во второй фазе вегетационного периода и не смогли раскрыть заложенный в них потенциал. Полученные данные свидетельствуют [Таблица 4] о том, что препаратом микроорганизмов из ММП привела к увеличению урожайности практически для всех культур.

Таблица 4. Изменение урожайности под влиянием бактерий из ММП.

Культура	Контроль, т/га	Опыт, т/га	% к контролю
Пщеница	2,06	2,06	0,00
Ячмень	4,08	4,16	1,96
Овес	3,91	4,11	5,12
Овес г/з	1,47	1,66	12,93
Горох	1,19	1,25	5,04

Увеличение продуктивности зерновых сельскохозяйственных культур под воздействием бактерий из ММП подтверждают и многолетние деляночные эксперименты, выполняемые специалистами ТюмНЦ СО РАН. Эти исследования дают больший процент увеличения урожайности, но они не встроены в реальный технологический процесс.

Выводы

Применение описанных выше бактерий в сельскохозяйственном производстве в качестве биологического стимулятора перспективно, так как:

- Способствует увеличению всхожести семян;

- Ускоряет развитие растений в ранневесенний период даже в условиях низких температур;

- Повышает устойчивость растений к воздействию неблагоприятных природных факторов;

- Повышает иммунитет растений.

Все это позволит:

- Увеличить урожайность, возможность снижения применения средств защиты растений для традиционно возделываемых в нашей природной зоне культур.

- Более уверено интродуцировать и возделывать теплолюбивые культуры в широких границах ареала произрастания.

- Получать более качественные результаты при рекультивации северных территорий.

Список литературы

Брушков А.В. и другие. 2009. Реликтовые микроорганизмы криолитозоны как возможные объекты геронтологии. Успехи геронтологии. 2009. Т. 22. № 2. С. 253-258.

Калёнова Л.Ф., Новикова М.А., Субботин А.М. 2014.
Влияние микроорганизмов из вечной мерзлоты на репарацию кожной раны. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2014. Т. 158. № 10. С. 480-484.

Калёнова Л.Ф., Субботин А.М., Бажин А.С. 2013.
Влияние бактерий из многолетнемерзлых пород разного геологического возраста на иммунную систему. Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2013. № 1. С. 128.