Как микроорганизмы изменяют сельское хозяйство

Будучи в любом современном продуктовом магазине США или Великобритании, сложно поверить, что пищевая промышленность находится в наиболее тяжелом состоянии в последние десятилетия. Согласно прогнозам, к 2050 году мировое население вырастет с 7,5 миллиардов до почти 10 миллиардов человек. Чтобы накормить всех, миру придется фактически удвоить производство продуктов питания за какие-нибудь три десятилетия. И все это придется сделать в условиях усиливающейся засухи в мире и сокращения пригодных для фермерства земель, а также повышения резистентности сельскохозяйственных культур к гербицидам и пестицидам.

С 1960 по 1980 годы ряд международных инициатив, получивших название «Зеленая Революция», кардинально увеличили производство продуктов питания, главным образом за счет селекции сортов сельскохозяйственных культур, способных воспользоваться преимуществами искуственных удобрений, а также за счет создания эффективных видов гербицидов и пестицидов. Однако, по мере увеличения сельскохозяйственной производительности, мы также увеличивали и вред, наносимый окружающей среде. К нему можно отнести и эрозию почв, и сокращение биоразнообразия, и выброс парниковых газов, приводящий к климатическим изменениям.

Сегодня стремление производителей все увеличивать производительность полей столкнулось с естественным пределом, и нынешний рост урожайности уже не успевает за ростом потребностей в продуктах питания. Становится очевидным, что сегодня сельское хозяйство нуждается в изменениях, способных изменить существующие способы выращивания урожаев и повысить экологическую безопасность производства.

Доктор Мэттью Валентайн (Mathew Wallenstein) из Университета штата Колорадо, совместно с группой единомышленников, ведет исследования в области применения микроорганизмов в качестве средства улучшения качества сельского хозяйства. За последние годы геномные технологии приблизили понимание человека природы микроорганизмов. По мнению ученого, точно также как изучение человеческого микробиома революционирует медицину и порождает новую пробиотическую отрасль, также и сельское хозяйство может получить необходимые изменения по мере изучения микромира почв.

Замена химии биологией — сила микроорганизмов

В природе растения сосуществуют с микроорганизмами, обитающими в их корневой системе, на их листьях и даже внутри их клеток. В то время как растения питают микроорганизмы углеродом, последние делают нутриенты доступными для поглощения растениями, а также защищают культуры от разного рода заболеваний. Однако, применяя культивацию почв и внося химические удобрения, человек тем самым нарушает этот симбиоз, убивая значительную часть этих полезных организмов.

Мэттью Валентайн был впечатлен недавними успехами врачей в борьбе с хронической и зачастую смертельной бактериальной инфекции, называемой Clostridium difficile. Решение медиков заключалось в пересадке больному фекального микробиома здорового человека. Ученый из колорадского университета был настолько воодушевлен изящностью подобного решения, что совместно со своим коллегой, доктором Колином Беллом (Colin Bell), он приступил к разработке микробной технологии по увеличению доступности фосфора, жизненно необходимого для роста растений элемента. Как известно, фермеры добавляют фосфор в почву посредством удобрений, что однако, зачастую приводит к тому, что до 70% этого химического элемента оказывается связанным в почве, и недоступным для растений.

Однако микроорганизмы способны высвобождать фосфор и другие микронутриенты, делая их доступными для растений. Валентайн и его команда исследователей разработали четыре вида бактерий, способных высвобождать фосфор из почвы за счет специализированных молекул, разрушающих связи между фосфором и частицами почвы. Для проверки нового решения на практике, команда ученых основала стартап Growcentia, и начала продавать свой новый продукт, получивший название Mammoth P.

Growcentia далеко не единственный стартап в своем роде, предлагающий аграриям микробные технологии для производства продуктов питания. Помимо собственно Growcentia, существуют также и такие компании как AgBiome, Indigo, Maronne BioInnovations и New Leaf Symbiotics.

Помимо этого, крупнейшие сельскохозяйственные компании в мире также активно инвестируют в биологические решения. Так, например компания Monsanto недавно инвестировала 300 млн. долларов в биотехнологическую компанию NovoZymes.

Возвращаясь к Growcentia, стоит отметить, что компания специализируется на почвенных микробах, повышающих эффективность и поглощение нутриентов, однако микроорганизмы также способны улучшить сельское хозяйство и многими другими способами. Некоторые компании сосредоточены на коммерциализации микробов, способных подавлять реакцию растений на недостаток воды настолько, что культуры продолжают активно расти в условиях засухи. Другие компании разрабатывают микроорганизмы, защищающие растения от заболеваний и вредителей. Микробы даже способны влиять на время цветения. Поистине, возможности микромира безграничны.

Специализированные микробы уже давно используются в сельском хозяйстве. Так, фермеры могут повышать количество доступных для растений нутриентов путем добавления азотфиксирующих бактерий к своим бобовым культурам, а также используя особые симбиотические грибки, известные как mycorrhizae. Однако многие старые продукты содержат неопределенные смеси микробов, и неоднозначный эффект от применения, что в результате дало им репутацию сельскохозяйственного «змеиного масла». По этой причине сегодня сложно убедить фермеров в эффективности нового поколения микробных технологий.

До недавнего времени ученые могли наблюдать и изучать лишь микробные виды, которые легко культивировать в лаборатории с использованием традиционных подходов, составляющие лишь крошечную часть от микробного мира. Однако сегодня благодаря новым методам в разработке микробных технологий, ученые могут исследовать гены микроорганизмов путем секвенирования, а также изучать их функциональность, используя высокопроизводительные методы скрининга для поиска микробов с определенным набором атрибутов. Помимо этого также возможна и генная инженерия микроорганизмов, позволяющая не только выводить новые организмы с заранее заданным набором характеристик, но и буквально создавать совершенно новый вид микробов.

Однако одно дело создавать полезные микробы в экспериментальных теплицах. Разработка и создание же микробиологической технологии, которая может применяться в больших масштабах, транспортироваться и храниться в суровых условиях в течение длительных периодов времени, чтобы затем безупречно функционировать в широком диапазоне почв и климатических условий — задача совершенно другого порядка.

По этой причине, многие продукты, находящиеся на стадии разработки, все еще должны пройти долгий путь, прежде чем их можно будет применять в сельском хозяйстве. Взрыв интереса к полезным микробам для производства продуктов питания предвещает будущее, когда сельское хозяйство будет меньше зависеть от искуственных удобрений. Будущее продовольственной безопасности лежит у наших ног в невидимой вселенной микробного мира.

The Ellingham Daily News