Як покращити врожайність завдяки ДНК-тесту

За допомогою ДНК-тестування можна досягти безпрецедентного рівня аналізу ґрунту, особливо якщо поєднати його з даними про тип ґрунту і поточний рівень родючості. Як результат, фермери отримують набагато точніші рекомендації, які забезпечують більш високі врожаї, поступове зниження тиску шкідників і покращення здоров'я ґрунту з кожним наступним сезоном.

У світі є дві основні компанії, що надають ці передові послуги, і обидві швидко розвиваються. Одна з них – Trace Genomics, що базується в штаті Айова, США. У липні Trace розширила своє партнерство з CHS, найбільшим фермерським кооперативом у Сполучених Штатах. Починаючи з серпня, канадські фермери теж зможуть отримати доступ до тестів Trace завдяки партнерству з Taurus Agricultural Marketing.

Іншою великою компанією є Biome Makers, яка базується в Каліфорнії і має лабораторії та офіси в двох інших штатах США, а також в Іспанії та Франції. Її тести пропонуються в 45 країнах світу. У липні було оголошено про співпрацю, в рамках якої технологія BeCrop компанії Biome Makers тепер доступна фермерам в Іспанії завдяки фінансуванню CaixaBank.

Кількісне і якісне оцінювання

Аналіз ДНК в зразках ґрунту забезпечує глибоке розуміння ґрунтових екосистем. ДНК екстрагується, секвенується і порівнюється з профілями ДНК відомих видів бактерій, грибів і безхребетних. Деякі з них є корисними і працюють на врожайність, інші – патогенними і, навпаки, можуть обмежувати продуктивність поля.

Виділену ДНК також піддають кількісній оцінці, щоб створити картину загальної кількості, різноманітності та функцій наявного ґрунтового життя. Ці дані ДНК потім поєднуються з іншими даними за допомогою передових платформ штучного інтелекту. Результатом такої роботи стають конкретні рекомендації для кращого управління родючістю ґрунту, його здоров'ям, продуктивністю рослин та контролем шкідників і хвороб.

Рух в чіткому напрямі

Джон Аппель, який очолює північноамериканський відділ продажу компанії Biome Makers, говорить: «Озброївшись аналізом ДНК, ви можете отримати діагностику всієї мікробіоти, зрозуміти взаємодії між живими організмами в ґрунті, включаючи як корисні, так і шкідливі одиниці. Такий підхід дає можливість вжити заходів для покращення продуктивності рослин та здоров'я ґрунту.

Два найпоширеніші приклади використання аналізу ДНК включають: 1) виявлення ризику захворювання, який можна зменшити на ранній стадії шляхом кращого розміщення насіння або використання певних фунгіцидів, і 2) управління поживними речовинами, яке можна оптимізувати на основі виявлених біологічних особливостей ділянки. Наші клієнти, як правило, зосереджуються на біологічних продуктах захисту й живлення рослин, але у нас все частіше з'являються замовники, які бажають поєднувати хімічні засоби захисту з біологічними препаратами. Використання різних способів є важливим не лише для контролю шкідників та хвороб у поточному сезоні, але й для запобігання виникненню резистентності».

Д-р Пурніма Парамезваран (Poornima Parameswaran), президентка Trace Genomics, пояснює: «Тоді як традиційні тести ґрунту пропонують аналіз лише його хімічного складу, Trace переходить до чотирьох вимірів, інтегруючи аналіз ДНК ґрунту з хімічним складом ґрунту (визначаючи вміст поживних речовин), додаючи дані про вміст вуглецю в ґрунті та текстуру ґрунту. Наприклад, за допомогою тесту TraceCOMPLETE можна виявити до 225 патогенів і шкідників, що передаються через ґрунт, таких як соєва цистоутворювальна нематода, кукурудзяний коренеїд, біла пліснява, вовчок, церкоспороз листя тощо. Цей список включає 50 нових патогенів, які ми додаємо цієї осені. І коли ми додаємо нові патогени до дослідження, ми можемо повернутися назад і проаналізувати зразок ґрунту багаторічної давнини, щоб побачити, чи був присутній цей патоген тоді чи ні. Це лише один приклад того, як наш аналіз може вплинути на рішення фермера щодо вибору стратегії господарювання».

Факти про ДНК-аналіз ґрунту

• ДНК екстрагується, секвенується (визначається її первинна структура) і порівнюється з профілями ДНК відомих видів бактерій, грибів і безхребетних.
• ДНК також отримує кількісну характеристику, щоб створити картину загальної кількості та різноманітності наявного життя в ґрунті.
• Секвенування за допомогою генних маркерів дозволяє легко визначити таксономічну приналежність і чисельність різних видів, а також проаналізувати взаємодію між різними видами.
• Ці дані ДНК потім поєднуються з іншими даними щодо врожайності і типу ґрунту. На цій основі замовнику надаються рекомендації для кращого управління родючістю і здоров'ям ґрунту, продуктивністю рослин і контролем над хворобами та шкідниками.
• Аналіз надається фермерам, агрономам, компаніям, які законтрактували певну сільгосппродукцію, і виробникам засобів захисту рослин (для розробки нових продуктів).

Результати й рекомендації

Тестування за технологією BeCrop надає інформацію про якість ґрунту, рухливість поживних речовин, ризик активізації патогенів, потенціал адаптації рослин до стресу та вироблення гормонів. База даних Biome Makers містить понад 17 мільйонів мікробів, що є найбільшою глобальною довідковою базою даних такого типу з усіх існуючих.

Дані, які свідчать про наявність шкідників і хвороб у ґрунті, дозволяють фермерам визначити рівень ризику від шкідливих організмів. Це допомагає вибрати більш толерантний гібрид сої або кукурудзи, визначитися, чи варто витрачати гроші на протруювання насіння або підібрати найоптимальніший фунгіцид.

На кругообіг і концентрацію поживних речовин у ґрунті (азоту, фосфору, калію тощо) істотно впливають популяції ґрунтових мікроорганізмів, які можна виявити за допомогою аналізу ДНК. Покращення доступності азоту і фосфору для сільськогосподарських рослин має величезний вплив на врожайність. Відтак фермери можуть використовувати аналіз мікробної ДНК для моніторингу та зміни рівня рН ґрунту, додавання органічних речовин, а також для вибору певного типу і кількості добрив.

Зменшення внесення добрив

«Рекомендації щодо оптимізації управління поживними речовинами ґрунтуються на виявленні біологічних вузьких місць, які обмежують врожайність через обмеження мобілізації поживних речовин. Іншими словами, застосування на практиці рекомендацій лабораторії може зменшити норми внесення добрив на фоні одночасного підвищення врожайності, - говорить Джон Аппель, очільник північноамериканського відділу продажу компанії Biome Makers. – Наприклад, ми працювали з господарством, яке вирощує кукурудзу за інтенсивною технологією. Вузьким місцем для подальшого підвищення врожайності в цьому господарстві виявилося засвоєння рослинами азоту. Застосувавши рекомендовані добрива та біостимулятор, цей виробник зміг зменшити норму внесення КАС приблизно на 20% і при цьому досягти збільшення врожайності. У результаті фермер отримав додатковий дохід на рівні 250 доларів США на гектар».

Різні поля, що належать одному фермеру, можуть також відрізнятися за типом ґрунту та мікробіомом. Джон Аппель пояснює, що порівняння на рівні полів є дуже корисним: «Розуміння відмінностей у біології на різних полях часто приводить до глибоких відкриттів, особливо якщо на цих полях застосовувалися різні методи вирощування, різний обробіток ґрунту або різні ЗЗР. Розуміння взаємозв'язку між методами ведення сільського господарства та мікробним різноманіттям ґрунту також дозволяє впроваджувати практики, які покращують як результати виробництва, так і стан довкілля. Саме тому ми пропонуємо фермерам працювати з нами щосезону, адже мікробіоми змінюються з часом залежно від практики вирощування, від типу обробітку ґрунту і типу сівозміни, а також від погодних умов року».

Утім, станом на зараз компанія Biome Maker здебільшого працює з виробниками засобів захисту рослин. Джон Аппель коментує це так: «Компанії, що виробляють засоби захисту рослин, завжди проводять польові випробування для оцінки ефективності своїх розробок, але часто не проводять аналіз екології ґрунту. Маючи його на руках, вони можуть набагато краще зрозуміти фактичний функціональний вплив обробок своїми препаратами на довкілля, а не лише на врожайність культур».

Азот і фосфор

Занурюючись глибше в питання родючості та вмісту в ґрунті поживних речовин, д-р Пурніма Парамезваран пояснює, що Trace-аналіз дозволяє набагато точніше вносити добрива, оскільки він керується як хімічними, так і біологічними даними. Крім того, Trace-аналіз дає рекомендації щодо застосування хімічних і біологічних засобів захисту рослин, використання протруйників насіння та вибору гібрида, а також допомагає підібрати таку схему посіву, щоб рослини давали найвищі врожаї.

Говорячи про фосфор, Пурніма Парамезваран зазначає, що фермерам потрібно знати не лише те, скільки фосфору міститься в ґрунті, а й те, наскільки спільнота ґрунтових мікроорганізмів здатна зробити наявний фосфор доступним для рослин: «Ми проводимо секвенування геному, щоб визначити, скільки з наявних у ґрунті мікроорганізмів мають гени, які дозволяють їм мобілізувати й розчиняти фосфор, - пояснює вона.  – Існують тисячі мікробів, які здатні на таку роботу, і в цьому процесі задіяні сотні генів. З кожного поля ми отримуємо 10 мільйонів точок даних, які ми інтерпретуємо не лише щодо того, які мікроби там присутні, але й що вони роблять у плані нітрифікації та денітрифікації, окислення амонію, за конкретних ґрунтових умов, таких як доступність води та рН ґрунту. Штучний інтелект, який ми розробили, перетворює все це на індикатор, який дозволяє сформувати конкретні рекомендації».

Поради щодо внесення біопрепаратів

Фермеру можуть порадити використання біологічних препаратів (бактерій чи грибів, які є солюбілізаторами та мінералізаторами фосфору, тобто переводять його у розчинну форму, азотні інокулянти, продукти мікоризи з широким спектром дії), хелатуючі агенти або певний тип  фосфору.

Впливати на вміст азоту в ґрунті потрібно обережно. На основі рекомендацій Trace-аналізу фермер може використовувати інгібітори нітрифікації, ферменти уреази та вносити азот у різних формах.

Пурніма Парамесваран зазначає, що в деяких ґрунтах мікроби перетворюють нітрати на азот із високою швидкістю. Це не тільки збільшує втрати азоту в ґрунті, але й збільшує викиди парникових газів. «Коли ви додаєте стабілізатори азоту, ви сповільнюєте перетворення нітратів, - зазначає вона, - даючи культурам більше можливостей використовувати поживні речовини і мінімізуючи втрати».

Забігаючи наперед, Джон Аппель зазначає, що широке використання ДНК-тестування ґрунту сприятиме захисту довкілля. Зменшення залежності від синтетичних добрив і пестицидів означатиме, що менше цих матеріалів потраплятиме у водні шляхи й атмосферу.