Эти цели соответствуют политике многих стран, например, стратегии "От фермы до вилки" в ЕС, направленной на сокращение использования химических средств производства и требованию потребителей к более качественным и безопасным продуктам питания. Необходимость сокращения использования агрохимикатов в системе земледелия, наряду с необходимостью сохранения плодородия почвы и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, требует более эффективного использования природных ресурсов и удобрений и других средств производства. Биостимуляторы могут способствовать достижению этих целей с разным уровнем эффективности в зависимости от интерактивных эффектов между продуктом биостимулятора, генотипом и окружающей средой. Поэтому правильный выбор продукта биостимулятора, нормы, времени и метода применения должен учитывать цель, которую необходимо достичь, используемые культурные методы и педо-климатические условия, в которых проходит цикл выращивания культуры. Агрономические и экологические преимущества, которые могут быть получены при использовании биостимуляторов, должны быть переведены в положительные экономические результаты для фермера, чтобы оправдать применение биостимуляторов.

Выявление факторов окружающей среды, ограничивающих продуктивность сельскохозяйственных культур

Знание факторов, ограничивающих продуктивность культуры на участке выращивания, является отправной точкой для выявления потенциальных преимуществ применения биостимуляторов. Выявление факторов, ограничивающих продуктивность культур, должно проводиться на этапе планирования цикла выращивания культур путем глубокого анализа педо-климатических условий участка, использования исторических рядов метеорологических данных и анализа почвы. Эта информация полезна для выявления ограничивающих факторов продуктивности культуры на почвенном (например, засоленность) и климатическом уровне (например, суб- или супраоптимальная температура), а также для разработки стратегий управления, направленных на смягчение стресса культуры с помощью применения биостимуляторов. Однако такая первоначальная оценка факторов, ограничивающих урожай, имеет много пределов погрешности для климатических факторов, поэтому необходима более точная оценка климатических условий в течение цикла урожая с помощью прогнозирования погоды в реальном времени и метеостанций на месте. Модели прогноза погоды особенно полезны для прогнозирования стрессовых условий и планирования применения биостимуляторов перед стрессовым событием для активации защитных механизмов растения против стресса. Мониторинг морфо-физиологических признаков сельскохозяйственных культур с использованием методов дистанционного зондирования может быть полезен для выявления стрессового состояния культуры, особенно когда интенсивность стресса такова, что не приводит к появлению видимых симптомов, и для оценки постстрессового восстановления растений. Наконец, следует отметить, что сельскохозяйственные культуры в полевых условиях часто подвергаются множественным стрессам, вызванным несколькими факторами окружающей среды, которые могут действовать одновременно или последовательно, усиливая негативное воздействие стрессовых факторов на урожай. Например, в жарком засушливом климате очень распространены множественные стрессы, вызванные супреоптимальной температурой и засухой или засоленностью и засухой для неорошаемых культур.

Рис. 1. Платформа высокопроизводительного фенотипирования компании Arcadia s.r.l., одобренная Университетом Тушии, на экспериментальной ферме Университета Тушии, Витербо, Италия(www.arcadia.expert).

Как выбрать биостимулятор

Выбор микробного и/или немикробного биостимулятора для достижения конкретной цели (например, повышения устойчивости культуры к одному или нескольким стрессовым факторам окружающей среды, повышения эффективности использования питательных веществ, улучшения одного или нескольких качественных признаков культуры) требует проверенных знаний о биологической активности продукта в аналогичных условиях выращивания. Эта информация может быть доступна в технических отчетах, базах данных, технических и научных статьях, а также в специальных книгах, где сообщается о результатах агрономических испытаний. Технические отчеты могут быть предоставлены непосредственно производителями биостимуляторов, а статьи и главы книг можно найти в поисковых системах Интернета, некоторые из которых доступны бесплатно (напр. https://scholar.google.com), в то время как с другими можно ознакомиться за плату (например. https://www.scopus.com). Исследования, проведенные по биостимуляторам, более полезны, когда они рассматривают не только агрономические аспекты (например, урожайность), но и включают в себя понимание способа действия продуктов и интерактивных эффектов с другими биостимуляторами и химическими средствами (например, удобрениями, пестицидами). Когда выбранный биостимулятор применяется вместе с другими биостимуляторами или химическими средствами, необходимо убедиться, что применяемые продукты взаимодействуют синергически или, по крайней мере, аддитивно. Например, Rouphael et al. (2017) обнаружили, что применение двух биостимуляторов (корневое внесение инокулята микоризных грибов и внекорневая подкормка растительнымгидролизата белка растительного происхождения) на растениях салата-латука привело к синергетическому взаимодействию с увеличением свежего веса побегов, которое было больше (+33%), чем сумма эффектов, вызванных применением одного биостимулятора (+16% при корневом внесении инокулята микоризных грибов или +7% при внекорневом внесении гидролизата белка растительного происхождения).

Интересно, что между биостимуляторами и пестицидами также было обнаружено положительное взаимодействие. Например, негативное воздействие гербицидов (фитотоксичность и угнетение роста) на растения подсолнечника было снижено при внекорневом опрыскивании растений комбинацией белкового гидролизата и гербицида на основе имазамокса (Балабанова и др., 2016). Что касается минерального питания, в различных научных работах отмечается положительное взаимодействие между биостимуляторами и удобрениями, что приводит к улучшению поглощения, транслокации и ассимиляции питательных веществ в растении. Например, Colla и др. (2017) обнаружили увеличение концентрации калия в листьях после внекорневой обработки гидролизатом белка растительного происхождения тепличных томатов, а Celletti и др. (2020) сообщили, что тот же гидролизат белка растительного происхождения увеличил концентрацию железа в листьях растений томатов, выращенных в гидропонике.

Негативные взаимодействия между биостимуляторами характерны для некоторых микробных биостимуляторов; микроорганизмы могут конкурировать друг с другом и осуществлять взаимные ингибирующие действия посредством антибиоза и/или микопаразитизма. Например, сапрофитный гриб Trichoderma harzianum хорошо известен тем, что при нанесении на корни подавляет арбускулярные микоризные грибы (Cardarelli et al., 2016).

Приведенные выше результаты подчеркивают важность точной оценки активности биостимуляторов с учетом целевого воздействия на урожай. В этой связи высокопроизводительные платформы фенотипирования в контролируемой среде позволяют точно воспроизвести конкретные условия стресса и/или наличия питательных веществ и точно проверить действие препаратов на различные культуры путем анализа изображений, полученных в течение цикла культуры (рис. 1).  

Выбор биостимулятора также зависит от доступных формул, которые должны упрощать применение на поле с помощью обычного сельскохозяйственного оборудования. По этой причине производители биостимуляторов разработали множество составов в виде порошка, гранул, жидкости и таблеток для нанесения на семена, субстрат в питомнике и почву в поле, посредством внекорневого опрыскивания, системы орошения и корневой подкормки. На рынке также представлено множество удобрений, содержащих биостимуляторы и минеральные питательные вещества, полученные путем смешивания компонентов или реакций комплексообразования (например, биохелаты, содержащие катионные питательные вещества, комплексообразованные пептидами). Такие составы позволяют осуществлять подачу питательных веществ и биостимуляцию растений в один этап, что также способствует синергетическому воздействию на питание растений между биоактивными компонентами и питательными элементами.

Когда применять биостимулятор

Время применения биостимулятора зависит от целевого эффекта, типа биостимулятора, культуры и условий окружающей среды. Микробные биостимуляторы, например, на основе инокулята микоризных грибов, предпочтительно применяются однократно на материале для размножения или на ранних стадиях цикла культуры, в то время как биостимуляторы часто применяются многократно, следуя различным подходам: а) календарное применение; б) применение на определенных фенологических стадиях культуры; в) применение до, во время и/или после неблагоприятных метеорологических явлений. Календарное применение биостимуляторов предпочтительно, когда культура испытывает неоптимальные условия в течение большей части вегетационного цикла, например, в случае неоптимальной радиации и температуры в течение осенне-зимне-весеннего цикла выращивания в неотапливаемых теплицах или в случае засоленных почв. Однако такой подход экономически целесообразен только для высокоценных культур, таких как овощи или цветочно-декоративные виды в тепличных условиях. Для культур с длительным циклом выращивания (например, пшеницы), где низкая рентабельность делает экономически нерациональным многократное применение биостимуляторов, рекомендуется определять приоритетность применения биостимуляторов на критических стадиях развития культуры, таких как прорастание, цветение и увеличение плодов. Обработка биостимуляторами может быть ограничена определенными фенологическими фазами, когда необходимо стимулировать определенный признак растения, например, укоренение при раннем применении биостимуляторов или набор плодов и качество плодов при позднем применении биостимуляторов. В случае периодического абиотического стресса (например, резкое снижение температуры), лучше применять биостимулятор за несколько дней до стресса, чтобы активизировать эндогенные защитные силы растения. Недавние исследования, проведенные Luziatelli et al (2016), также показали, что внекорневое применение биостимуляторов способно стимулировать естественные эпифитные бактерии, которые могут способствовать росту и устойчивости растений к стрессу. После стресса применение биостимуляторов может быть полезным для быстрого восстановления урожая. На травянистых и овощных культурах биостимуляторы часто применяются вместе с пестицидами для экономии времени и уменьшения стресса от пестицидов. Однако следует отметить, что перед смешиванием различных продуктов необходимо проверить их совместимость и отсутствие фитотоксического воздействия смеси продуктов на урожай.

Рис. 2. Ion mobility qTOF в лаборатории липидомики и метаболомики oloBion S.L., Ion mobility qTOF в лаборатории липидомики и метаболомики oloBion Tarragona, Spagna (www.olobion.ai) Ion mobility qTOF в лаборатории липидомики и метаболомики в oloBion.

Оценка эффективности биостимуляторов на уровне фермерского хозяйства

Эффективность биостимуляторов необходимо оценивать с агрономической, экономической и экологической точек зрения.

Для оценки агрономических преимуществ биостимуляторов растений в полевых условиях необходимо измерить наиболее интересные признаки культуры (например, всхожесть, урожайность) в обработанной биостимулятором культуре и сравнить их со значениями, полученными от необработанной культуры, выращенной в аналогичных условиях окружающей среды. Для микробных биостимуляторов измерения выбранных признаков культуры всегда должны сопровождаться лабораторными анализами для проверки внедрения примененного микроорганизма/ов (например, анализ колонизации корней для микоризных грибов). Для быстрой оценки активности биостимулятора растений можно проводить полевые измерения признаков культуры. Например, портативные приборы позволяют неразрушающе оценить концентрацию хлорофилла (например, SPAD 502), а также флавонолов и антоцианов (например, Multi-pigment-meter) в листьях. Концентрация хлорофилла в листьях является хорошим индикатором здоровья растений, а соотношение хлорофилла и флавоноидов (так называемый индекс азотного баланса) используется для оценки состояния азотного питания растений. Полевые измерения флуоресценции хлорофилла листьев можно проводить с помощью портативного флуорометра. Данные флуоресценции хлорофилла используются для определения максимальной эффективности фотосистемы II (Fv/Fm); значения Fv/Fm листьев растения в хорошем физиологическом состоянии должны находиться в диапазоне от 0,79 до 0,84 в зависимости от вида растения. Концентрация хлорофилла в листьях является более чувствительным маркером стресса, чем соотношение Fv/Fm, которое изменяется только в условиях сильного стресса. Для оценки эффективности биостимулятора в смягчении водного стресса для сельскохозяйственных культур может быть полезным мониторинг степени открытия стоматитов в листьях (стоматальная проводимость) с помощью портативного порометра и водного потенциала листьев с помощью камеры давления. Влияние биостимуляторов на поглощение питательных веществ растениями можно отслеживать с помощью портативных приборов, которые позволяют измерять в поле нитраты, калий, кальций или натрий на черешках листьев; полученные значения можно сравнить с литературными данными или с данными, полученными на необработанных растениях того же поля. Дистанционное зондирование также может быть использовано для мониторинга роста культур и быстрого обнаружения стресса растений на больших площадях. Различные характеристики, связанные с растительностью, включая биохимические свойства (например, пигменты, содержание воды), могут быть получены на основе спектральных изображений. Одним из наиболее популярных индексов растительности, полученных на основе спектральной съемки, является индекс нормализованной разности растительности (NDVI), который может использоваться в качестве индикатора состояния растительности.

Помимо полевых измерений признаков культуры, полезно проводить лабораторные анализы специфических маркеров стресса (например, концентрации малондиальдегида как индикатора перекисного окисления липидов клеточных мембран; активности ферментов системы антиоксидантной защиты) в тканях растений для лучшей оценки реакции растений на обработку биостимуляторами в условиях стресса. Лучшее понимание активности биостимуляторов и связанных с ними механизмов действия на молекулярном уровне может быть достигнуто с помощью метаболомических анализов, которые позволяют охарактеризовать набор метаболитов, присутствующих в тканях растений (рис. 2). Сравнение метаболитов в тканях растений, обработанных биостимулятором, с метаболитами в тканях необработанных растений позволяет определить метаболические пути, на которые влияет обработка биостимулятором. Например, Bonini et al. (2020) сообщили, что инокуляция микоризными грибами(Rhizoglomus irregularis BEG72 и Funneliformis mosseae BEG234) и Trichoderma koningii TK7 увеличила на 24% урожайность плодов тепличного перца по сравнению с необработанным контролем; метаболомный анализ тканей листьев показал, что опосредованное микоризой повышение урожайности плодов было связано с изменениями в гормональном балансе (ауксины, гиббереллины и цитокинины) и во вторичных метаболитах (каротиноиды, сапонины и фенолы).

Метаболомный анализ съедобного продукта также позволяет определить, вызывает ли биостимулятор улучшение питательных качеств продукта.  

Экономический анализ необходим для оценки удобства применения биостимулятора растений. Применение биостимуляторов может повысить рентабельность фермеров за счет увеличения товарного урожая, улучшения качественных характеристик продукции, влияющих на ее продажную цену, или снижения себестоимости продукции за счет снижения потребности в ресурсах (например, удобрениях). Такие эффекты могут проявляться по отдельности или даже совместно.

Для оценки удобства применения биостимулятора растений необходимо рассмотреть стоимость биостимулятора с точки зрения использования (приобретение и распространение) и эффекта (изменение собранного урожая и связанных с ним переменных затрат). Приведенные выше данные используются для расчета валовой маржи как разницы между стоимостью продукции и затратами на сырье, материалы, услуги и труд. Разница между валовой маржой с применением биостимулятора и без него позволяет оценить экономическое удобство использования биостимулятора растений. Колетта (2019) сообщил о нескольких тематических исследованиях, в которых применение биостимуляторов растений привело к значительному увеличению валовой прибыли, особенно для высокоценных овощных культур.

Использование биостимуляторов в сельском хозяйстве может привести к снижению воздействия производственного процесса на окружающую среду за счет сокращения выбросов парниковых газов, условно выраженных в эквиваленте_CO2 (углеродный след), а также потребления воды и использования земли, связанных с данным количеством продукции. Улучшение показателей воздействия на окружающую среду, связанное с использованием биостимуляторов, может происходить за счет увеличения товарного урожая при том же уровне затрат (например, оросительной воды, удобрений, энергии), за счет сокращения затрат для достижения того же товарного урожая или за счет одновременного увеличения товарного урожая и сокращения затрат. Количественная оценка экологических выгод, вызванных применением биостимуляторов в системах земледелия, может быть получена с помощью методологии анализа жизненного цикла (LCA), применяемой к первичной фазе производства "от колыбели до ворот". Эта методология была использована Раджаби и др. (2020) в двух тематических исследованиях в тепличных условиях. В первом исследовании корневое внесение инокулята арбускулярных микоризных грибов на культуру кабачков сократило выбросы парниковых газов на 7,6%, выраженные в_{CO2-эквиваленте} на тонну плодов, по сравнению с необработанным контролем, а во втором исследовании внекорневое внесение гидролизата белка растительного происхождения на культуру шпината значительно сократило выбросы парниковых газов на 13,5% кг_{CO2-эквивалента} на тонну листьев по сравнению с необработанным контролем. Эти результаты были объяснены положительным влиянием применения биостимуляторов на урожайность. Снижение выбросов парниковых газов, связанное с обработанным биостимуляторами продуктом, может быть использовано для инициатив зеленого маркетинга, направленных на продвижение устойчивого потребления, что приведет к конкурентному преимуществу компании как с точки зрения дохода, так и репутации.

Выводы

Биостимуляторы растений представляют собой хорошую возможность повысить урожайность сельскохозяйственных культур, особенно в условиях экологического стресса, улучшить качество продукции и повысить эффективность использования ресурсов. Использование биостимуляторов растений растет во всем мире, и каждый день на рынке появляются новые биостимуляторы. Тем не менее, выбор биостимуляторов для применения часто осуществляется эмпирически, без глубокого знания характеристик и свойств продукта. Такой подход может привести к переменным результатам, которые не всегда являются оптимальными, что приводит к экономическим потерям для фермеров. Поэтому для получения максимальной выгоды от применения биостимуляторов необходимо использовать научно-технический подход, который включает в себя определение целей применения биостимуляторов с учетом факторов, потенциально ограничивающих продуктивность культуры на участке выращивания, определение наиболее эффективных продуктов на основе результатов агрономических испытаний, проведенных в аналогичных условиях выращивания, и определение стратегии применения биостимуляторов с учетом характеристик продукта и потребностей культуры. Мониторинг морфо-физиологических и продуктивных признаков культуры может быть полезен для проверки активности биостимулятора в полевых условиях, в то время как лабораторный анализ может выявить эффекты биостимулятора на молекулярном уровне и на питательном качестве продукта. Наконец, при оценке удобства использования биостимулятора необходимо рассмотреть анализ затрат и выгод, связанных с применением биостимулятора, а также количественную оценку любых преимуществ, возникающих в результате использования биостимулятора с точки зрения снижения воздействия производственного процесса на окружающую среду.