У пошуках доступного фосфору

Фосфор є однією з найважливіших поживних речовин для рослин. Він впливає на ключові метаболічні процеси в рослинах, включно з поділом клітин, транспортом енергії, передаванням сигналів і макромолекулярним біосинтезом. Він також потрібен для фотосинтезу, дихання, формування квітів, насіння і забезпечення міцності стебла. Фосфор пом’якшує холодовий стрес і посилює стійкість деяких культур до хвороб. Дефіцит фосфору значно знижує життєздатність рослини, роблячи її більш чутливою до несприятливих умов. Як макроелемент, фосфор важливий для росту і продуктивності, оскільки він бере участь у різних фізіологічних, біохімічних і метаболічних процесах, таких як фотосинтез, дихання, вироблення енергії та синтез нуклеїнових кислот.

Розуміння процесів засвоєння фосфору рослинами має вирішальне значення для кінцевого врожаю. Цілісне розуміння динаміки руху фосфору від ґрунту до рослини потрібне для оптимізації управління фосфором та підвищення ефективності його використання.

І знову про розчинність

Доступність фосфору є основним лімітаційним фактором у сільському господарстві. Для забезпечення рослин оптимальною кількістю фосфору зазвичай використовують мінеральні добрива. Однак, за оцінками, лише 20% фосфорних добрив є доступними для рослин (дослідження 2014, 2015 і 2019 років). Така неефективність зумовлює потребу в пошуку екологічно безпечних та економічно вигідних альтернатив.

Проблема розчинності фосфатів є складною. Як неорганічні, так і органічні форми фосфору засвоюються рослинами, проте органічна форма засвоюється набагато гірше, а більшість фосфору в ґрунті міститься саме в органічній формі. Крім того, якщо фосфор зв’язаний з гуміновими кислотами (гумофосфатами), він набагато краще засвоюється, тоді як у ґрунті він має тенденцію зв’язуватися з Ca, Fe, Mg та іншими елементами, стаючи нерозчинним.

Тож дефіцит фосфору в рослинах є частим явищем, тому дослідники шукають екологічно безпечні та економічно вигідні альтернативи синтетичному фосфору. Органічний фосфор отримують шляхом розщеплення рослинних і тваринних решток. Потім він перетворюється на неорганічні форми, які легко засвоюють рослини. Значна частина органічного фосфору мінералізується в ґрунті завдяки ризосферно-асоційованим бактеріям, які використовують групу ферментів, що відповідають за гідроліз фосфору — фосфатази. Вони каталізують процес перетворення органічного фосфору в неорганічні форми (HPO4- і H2PO4-), які поглинаються через кореневу систему. У різних типах ґрунтів спостерігається різна активність фосфатаз, пов’язаних з фосфатмобілізаційними бактеріями. Активність фосфатази вища в ризосфері, й основним джерелом цієї активності є мікроби.

Активність ризосфери

Найвища чисельність усіх ґрунтових бактерій, включно з фосфатмобілізаційними, спостерігається в ризосфері — сфері, прилеглій до коріння рослин, де біохімічні та фізико-хімічні умови визначає рослина. Хімічні речовини, що виділяє коренева система рослин, ― переважно цукри та органічні кислоти. Вони приваблюють певні види бактерій, які використовують кореневі ексудати як джерело вуглецю. Концентрація бактерій у ризосфері до тисячі разів вища, ніж у ґрунті, на який не впливають кореневі виділення рослин. Крім того, активність ризосферних бактерій вища, ніж в інших ділянках ґрунту.

Бактерії, що сприяють росту, зокрема фосфатмобілізаційні, колонізують різні органи рослин: коріння, стебла, листя, квіти, плоди. Щоб сприяти росту рослин, бактерії повинні ефективно заселяти різні середовища, пов’язані з рослинами, такі як ризосфера, епідерміс і внутрішні тканини, взаємодіючи з рослиною-господарем за допомогою біохімічних і фізіологічних ознак. Скажімо, рухливість і виділення полісахаридів є життєво важливими для успішної колонізації ризосфери ендофітними бактеріями, такими як Alcaligenes faecalis та Azospirillum brasilense. Крім того, такі функції, як розчинення неорганічних фосфатів і синтез ферментів протеази, ліпази та хітинази, підтримують колонізацію ризосфери.

Кишківник комах як джерело бактерій

Бактерії, що сприяють росту рослин, в основному виділені з ризосфери. Водночас вони також заселяють інші середовища, опосередковано пов’язані з рослинами, де передаються комахами. Кишківник комах при цьому забезпечує оптимальне середовище для бактеріальної кон’югації — процесу передавання генетичного матеріалу між бактеріями через прямий міжклітинний контакт.

Різні кишкові бактерії комах тісно пов’язані з ризосферою, філосферою (надземною поверхнею рослини) та ґрунтовими бактеріями. Деякі кишкові бактерії комах, зокрема виділені з личинок капустяної молі Plutella xylostella, демонструють властивості, що сприяють росту рослин — такі як фіксація азоту і виробництво саліцилової та індол-3-оцтової кислот. Кишківник комах може слугувати потенційним середовищем для відкриття бактерій, що стимулюють ріст рослин і здатні посилювати поглинання мінеральних речовин.

Наприклад, три штами бактерій були виділені з кишківника личинок капустяної молі: Acinetobacter sp., Pseudomonas sp. і Serratia sp. Ці бактерії реагують на виснаження фосфору та цинку в ґрунті й впливають на різні реакції солюбілізації, озчинний. Тож з’являється розуміння взаємодії між комахами та мікробіотою рослин, що має наслідки для модифікації захисту рослин від листятакі як хелатування або перетворення нерозчинного фосфору в рних комах, формування асоційованих з рослинами мікробних угруповань та впливу на мультитрофічні взаємодії.

З нерозчинних у розчинні

Використання певних штамів фосфатмобілізаційних бактерій може сприяти зменшенню потреби рослин у мінеральних фосфорних добривах. Завдяки полегшеному засвоєнню фосфору врожайність таких культур, як овес, ячмінь, соя, гірчиця або кукурудза, може збільшитися до 20%. Найчастіше описані бактеріальні таксони, що демонструють здатність до розчинення фосфатів, є представниками таких родів: Achromobacter, Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Micrococcus, Pantoea, Pseudomonas, Ralstonia, Rhizobium, Rhodococcus і Serratia. Бактерії розчиняють фосфор, вивільняючи низькомолекулярні органічні кислоти, де гідроксильні та карбоксильні групи хелатують катіони, приєднані до фосфату, перетворюючи його на розчинні форми. Фосфатмобілізаційні бактерії вважають перспективними біодобривами, які можуть підвищити доступність фосфору для рослин.

Комахи як джерело бактерій

Комахи є найбільш різноманітною та численною групою тварин, що населяють найрізноманітніші екологічні ніші. Відомо, що в кишківнику комах міститься велика кількість бактерій, які сприяють їх адаптивності. Бактерії, що сприяють росту рослин, були виділені із західного кукурудзяного жука (Diabrotica virgifera), бавовникової совки (Spodoptera litura) й термітів (Microcerotermes diversus). Існує висока ймовірність того, що комахи-шкідники, які мають багатьох рослин-господарів, такі як D. virgifera, O. melanopus і O. nubilalis, можуть бути переносниками фосфатмобілізаційних бактерій, особливо з огляду на те, що раціон комах часто не забезпечує бактерії достатньою кількістю поживних речовин. Однак наявність симбіотичних мікроорганізмів може поповнити цей дефіцит. Комахи, що живляться переважно рослинними рештками, можуть також містити фосфатрозчинні бактерії та власні механізми метаболізму органічних сполук фосфору. У дослідженні 2008 року кишкові бактерії комах продемонстрували властивості, що сприяють росту рослин, такі як фіксація азоту та розчинення фосфатів.

Для оцінки потенціалу штамів бактерій у фосфатному метаболізмі в цьому досліді використовували середовище Піковської для визначення здатності бактерій розчиняти фосфати, а також обчислювали індекс розчинення фосфору (PSI).

Поточне дослідження мало на меті вивчити потенціал фосфатмобілізаційних бактерій, отриманих від комах, адже вони потенційно можуть бути новим джерелом біологічно активних речовин. Цілі цього дослідження полягали в такому:

• протестувати широкий спектр бактерій, виділених із західного кукурудзяного жука (Diabrotica virgifera, родина Chrysomelidae), злакового листоїда (Oulema melanopus, родина Chrysomelidae), стеблового кукурудзяного метелика (Ostrinia nubilalis, родина Pyralidae) та чорної твердокрилої мухи (Hermetia illucens, родина Stratiomyidae), на здатність розчиняти фосфор на середовищі Піковської та визначити їх PSI;
• продемонструвати ріст-стимулювальний ефект фосфатмобілізаційних бактерій на економічно важливих рослинах, включно з вівсом, пшеницею, тритикале, соєю та ячменем у тепличних умовах;
• оцінити фосфатазну активність ризосферного ґрунту, інокульованого фосфатмобілізаційними бактеріями, щоб перевірити, чи є стимуляція росту рослин наслідком їх дії.

Дослідження мало на меті висвітлити потенціал біологічно активних речовин, отриманих з комах, як сталої альтернативи хімічним добривам, що сприяє підвищенню продуктивності сільського господарства та екологічної стійкості. Як ми знаємо, це перше повідомлення про застосування фосфатмобілізаційних бактерій, отриманих з комах, для прискорення росту сільськогосподарських культур.

Імаго D. virgifera, O. melanopus і O. nubilalis були відловлені на кукурудзяних полях на південному сході Польщі. Зразки личинок H. illucens були отримані шляхом власного вирощування і харчувалися кукурудзяними рештками.

Результати досліду

Було досліджено кишківник комах, щоб визначити, чи містять вони бактерії, що розчиняють фосфати. У дослідженні зі 171 штаму лише 20 штамів були взагалі не здатні розчиняти фосфати.

Ці результати узгоджуються з результатами іншого дослідження, у якому повідомлялося про фосфаторозчинний ефект Pseudomonas sp. PRGB06, виділеного з личинок капустяної мухи Plutella xylostella (Lepidoptera). У цьому дослідженні фосфаторозчинні ефекти спостерігалися для Acinetobacter guillouiae, Lactococcus garvieae, L. lactis та Rothia kristinae. Випробування, проведені в теплиці, продемонстрували ефективність бактерій, виділених з комах, та їх здатність виробляти фосфатазу, що підвищує доступність засвоюваних рослинами форм фосфору в ґрунті. Існують повідомлення про мікоризні та сапротрофні гриби й коріння рослин як джерела фосфатаз у ґрунті. Однак єдиною відмінністю між досліджуваними зразками та контрольними зразками була наявність досліджуваних штамів бактерій. Тому підвищений вміст фосфатази в досліджуваному ризосферному ґрунті з великою ймовірністю може свідчити про активність бактерій, що використовувалися в експерименті.

Бактерії тестували в тепличному експерименті на насінні вівса, пшениці, тритикале, ячменю та сої. Після інкубації вимірювали масу та довжину їх надземних частин. Найбільший приріст маси надземної частини зафіксовано у вівса після використання для інокуляції штаму Om046 (88,98%), потім у пшениці (Dv097, 31,43%), сої (штам 96, 53,79%) та тритикале (бактеріальний консорціум, 36,9%).

У цьому дослідженні було підтверджено наявність в організмі досліджуваних комах таких бактерій: Acinetobacter sp (штам Dv123), Lactococcus lactis (штами Om030 та Om046), L. Garvieae (Dv097) та Rothia kristinae (штами 90 і 96). Крім того, було підтверджено здатність цих бактерій розчиняти фосфати в ґрунті, роблячи їх більш доступними для рослин. Ідентифікація цих штамів бактерій має нове значення і буде розглянута більш детально. Acinetobacter sp. було визначено як корисну бактерію, що стимулює ріст рослин у різних дослідженнях.

Дослідження показали, що штам Acinetobacter SuKIC24 продемонстрував значну солюбілізацію фосфатів та продукування індол-3-оцтової кислоти, що призвело до посиленого росту рослин Basilicum polystachyon. Крім того, застосування ризосферної бактерії Acinetobacter lwoffii A07 призвело до збільшення біомаси рослин, структури коренів, вмісту поживних речовин та активності ґрунтових ферментів. Ці дані підкреслюють потенціал видів Acinetobacter у стимулюванні росту рослин за допомогою різних механізмів, таких як розчинення поживних речовин та покращення стану ґрунту. Lactobacillus lactis, тип молочнокислих бактерій, показав свій потенціал як бактерій, що стимулюють ріст рослин. Ці бактерії можуть виробляти гормони росту рослин, ферменти та проявляти протигрибну активність. До того ж лактобактерії відіграють важливу роль у регулюванні вмісту поживних речовин у ґрунті.

Отже, штами бактерій, отримані від комах, мають важливе значення як такі, що сприяють росту рослин у сільському господарстві. Високу вартість добрив і низьку ефективність можна подолати шляхом використання цих бактерій для ефективного поглинання фосфору рослинами. Майбутні дослідження можуть бути зосереджені на оптимізації використання штамів бактерій, отриманих від комах, для покращення розчинення фосфатів, вивченні їх взаємодії з рослинами та розробленні адаптованих мікробних інокулянтів для конкретних агроекосистем.