By: Mariateresa Cardarelli
Факультет сельского хозяйства и лесных наук (DAFNE), Университет Тушии, 01100 Витербо, Италия.
*Корреспонденция: tcardare@unitus.it
Глобальная сельскохозяйственная система занимает примерно 40% поверхности Земли и должна решать эти три задачи: прокормить растущее население, обеспечить средства к существованию для фермеров и защитить окружающую среду. В связи с массовым использованием природных ресурсов (например, воды, почвы, энергии), сельскохозяйственный сектор оказывает значительное влияние на окружающую среду, плодородие почвы и долгосрочную продуктивность сельскохозяйственных культур. Обработка семян микробными биостимуляторами растений представляет собой устойчивый подход к улучшению желательных признаков сельскохозяйственных культур, таких как равномерное прорастание семян, высокая жизнеспособность проростков и обширная корневая система. В настоящее время только микоризные грибы, Rhizobium spp., Azotobacter spp. и Azospirillum spp. включены в Регламент ЕС по удобрениям 2019/1009 (Категории материалов компонентов, номер 7) в качестве микробных биостимуляторов растений. Однако в некоторых странах ЕС (например, в Италии) национальные законы об удобрениях позволяют добавлять другие полезные микроорганизмы, такие как Trichoderma spp. в коммерческие микоризные инокулянты для повышения возможности синергетического действия в стимулировании роста растений и устойчивости к абиотическим стрессам, а также для повышения урожайности и качества питания. Обработка семян в основном используется для возделывания сельскохозяйственных и овощных культур, особенно когда ожидаются неблагоприятные условия окружающей среды, например, при прямом посеве в открытом грунте. Обработка семян может вызвать быстрое и энергичное появление всходов, повышая возможность захвата ресурсов, переносить стресс окружающей среды и конкурировать с сорняками. Поэтому качество семян является одной из основных целей семеноводства для обеспечения устойчивой интенсификации сельского хозяйства в условиях изменения климата. По данным маркетинговых исследований, мировой рынок биологической обработки семян достигнет 1,7 миллиарда долларов США к 2025 году, демонстрируя рост в 11,9% с 2020 года, включая биоудобрения, биопестициды и биостимуляторы. Если рассматривать только обработку семян биостимуляторами растений, то ожидается, что к 2025 году мировой рынок достигнет около 338 миллионов долларов США.
Обработка семян полезными микроорганизмами растет в связи с сокращением использования синтетических агрохимикатов и низкой стоимостью применения микробных инокулянтов по сравнению с другими методами внесения в поле. Обработка семян включает пленочное покрытие, гранулирование и грунтование. Пленочное покрытие включает нанесение тонкого слоя полезного материала непосредственно на поверхность семян, при этом форма, размер и вес семян варьируются в ограниченных пределах. Пленочное покрытие обычно используется для нанесения на поверхность семян многих продуктов, содержащих пестициды, удобрения, гормоны и/или биостимуляторы. Некоторые авторы предпочитают использовать термины "обработка семян", когда применяются биологические препараты, и "покрытие семян" для нанесения на семена агрохимикатов, таких как пестициды. Гранулирование семян заключается в покрытии семян внешним материалом, таким как тальк и глиняные порошки, которые удерживаются на семенах с помощью связующих веществ, увеличивая вес, размер и форму семян. Внешний материал может также включать агрохимикаты или биологические вещества для стимулирования или защиты прорастающих семян. Грунтование семян - это процесс контролируемой гидратации семян водой (гидрогрунтовка), солевыми растворами (осмогрунтовка), фитогомонами (гормональная грунтовка) или биологическими веществами (биогрунтовка), или смесями, содержащими твердый материал и воду (матричная грунтовка). Грунтовка семян позволяет контролировать прорастание семян и запускает предпрорастающие метаболические процессы (синтез нуклеиновых кислот и белков de novo, производство АТФ, накопление стеринов и фосфолипидов или активация механизмов восстановления ДНК и антиоксидантов). Имбибицию семян необходимо остановить до преодоления первой обратимой стадии прорастания, что позволяет избежать прорастания радикалов через оболочку семени. Несколько полезных микроорганизмов, относящихся к арбускулярным микоризным (AM) грибам, Trichoderma spp., ризобиям и бактериям, способствующим росту растений, в настоящее время применяются для обработки семян зерновых, овощей, масличных и семян бобовых культур, а также волокнистых и кормовых культур (Cardarelli et al., 2022). Арбускулярные микоризные грибы (AM) отдельно или в консорциуме с другими полезными микроорганизмами, такими как Trichoderma spp., наносятся на поверхность семян крупных семян (например, пшеницы, кукурузы, тыквы) путем пленочного покрытия или на поверхность мелких семян путем гранулирования семян (например, салата, базилика) для улучшения поглощения питательных веществ, устойчивости культур к стрессам окружающей среды и качества продукции.
Рис. 1. Семена пшеницы, обработанные (слева) и необработанные (справа) грибами АМ и Trichoderma atroviride
Colla et al. (2015) сообщили, что семена твердой пшеницы (Triticum durum Desf.), обработанные пленочным покрытием консорциумом эндофитных микроорганизмов, состоящим из AM грибов [Rhizoglomus intraradices BEG72 (бывший Glomus intraradices), Funneliformis mosseae BEG 234 (бывший G. mosseae)] и Trichoderma atroviride MUCL 45632 значительно увеличили количество листьев (+28,6%), побегов (+23,1%) и сухой биомассы корней (+64,2%) 17-летних сеянцев по сравнению с необработанным контролем. В открытом полевом испытании использование покрытых пленкой семян пшеницы с этими полезными грибами привело к значительному увеличению урожая зерна на 32 и 8%, в течение первого и второго вегетационного цикла, соответственно, по сравнению с необработанными семенами. Данные результаты можно объяснить общим количеством осадков, которое было выше среднего 30-летнего значения во втором вегетационном цикле (899,8 против 591,9 мм), в то время как первый вегетационный цикл был намного суше (313,1 мм), чем среднее историческое значение (591,9 мм). Хорошо известно, что АМ-грибы повышают устойчивость растений к различным стрессам, включая засуху. Во время первого вегетационного цикла растения пшеницы могли испытать стресс от засухи, который был смягчен инокуляцией семян полезными грибами. Качество зерна пшеницы с точки зрения содержания белка, концентрации K, P, Fe и Zn также улучшилось при инокуляции семян грибами AM и Trichoderma atroviride. Более того, инокуляция семян полезными грибами уменьшила колебания урожайности зерна между двумя циклами выращивания по сравнению с необработанным контролем. Увеличение урожайности зерна и стабильности урожая при обработке семян пленочной оболочкой было связано с увеличением содержания макро- и микроэлементов в листьях, повышением содержания хлорофилла в листьях и фотосинтетической активности.
Рис. 2.Растения пшеницы из семян, необработанных и обработанных
В другом полевом испытании (Rouphael et al., 2017) семена артишока [Cynara cardunculus var. scolymus (L.) Fiori] двух сортов были покрыты пленкой с консорциумом AM грибов (Rhizophagus intraradices BEG72 и Funneliformis mosseae BEG 234) и Trichoderma atroviride MUCL 45362 и испытаны в полевых условиях по сравнению с необработанными семенами. Обработанные и необработанные семена обоих сортов были высеяны в лотки с полистироловыми пробками, заполненные смесью торфа и перлита, после чего сеянцы были пересажены в открытый грунт через 21 день после посева.
Рис. 3.Испытание артишока с двумя рядами растений из протравленных семян, демонстрирующих раннюю продуктивность
Обработка семян полезными грибами повысила общую урожайность головок артишока по сравнению с необработанным контролем. Данные результаты были обусловлены: 1) увеличением поглощения и транслокации питательных веществ через большую эффективную площадь корней, а также уровнем колонизации грибами AM; 2) солюбилизацией микроэлементов Trichoderma atroviride; 3) производством в корневой зоне летучих веществ, малых пептидов и метаболитов с гормональной активностью (например, индол-3-уксусной кислоты) или их аналогов. Более того, результаты показали, что пищевая ценность головок артишока с точки зрения антиоксидантной активности, общего количества фенольных веществ, кофейноилхиновых кислот и флавоноидов была повышена путем покрытия семян пленкой с консорциумом полезных грибов, содержащих R. intraradices, F. mosseae и T. atroviride.
В заключение следует отметить, что обработка семян микробными биостимуляторами, такими как АМ-грибы, является наиболее экономичным и эффективным способом применения полезных микроорганизмов на зерновых, бобовых, масличных и овощных культурах. Агрономические испытания по всему миру показали, что обработка семян микробными биостимуляторами может повысить урожайность, качество продукции и эффективность использования ресурсов, особенно в неблагоприятных условиях окружающей среды. Однако, чтобы максимизировать преимущества обработки семян полезными микроорганизмами, необходимо определить наиболее подходящие штаммы микроорганизмов и норму внесения для каждой культуры и условий выращивания. Более того, глубокое понимание взаимодействия между микробными инокулянтами, местной микрофлорой и факторами окружающей среды имеет решающее значение для оптимизации агрономических показателей обработки семян.
Cardarelli, M., Woo, S.L., Rouphael, Y., Colla, G. Обработка семян микроорганизмами может оказывать биостимулирующее действие, влияя на прорастание и рост рассады сельскохозяйственных культур. Растения 2022, 11, 259. https://doi.org/10.3390/plants11030259
Колла, Г., Руфаэль, Й., Бонини, П., Кардарелли, М. Покрытие семян эндофитными грибами улучшает рост, поглощение питательных веществ, урожайность и качество зерна озимой пшеницы. Международный журнал растениеводства 2015, 9 (2): 171-190
Rouphael, Y., Colla, G., Grazini, G., Ritieni, A., Cardarelli, M., De Pascale S. Phenolic composition, antioxidant activity and mineral profile in two seed-pagated artichoke cultivars as affected by microbial inoculants and planting time. Пищевая химия 2017, 234: 10-19.