Бобовые культуры и фиксация азота

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Зрелище возделанных полей стало для нас настолько привычно, что мы не замечаем искусственности такого пейзажа. Между тем, очевидно, что деятельность живущих на Земле людей очень сильно сказывается на ее облике, ибо с незапамятных времен они выращивают на ней растения и содержат домашних животных. Фермеров можно считать предшественниками современных биотехнологов, так как они постоянно занимались улучшением пород животных.

Сегодня ферма - это центр по производству пищевого сырья за счет земельных ресурсов, но ранее ее функции были шире, так как на ней осуществлялась и его переработка. Навыки хлебопечения, пивоварения, сыроделия и производства сброженных продуктов были естественным дополнением к умению выращивать зерно, получать мясо и молоко. Всем этим нужно было заниматься на месте, чтобы не допустить порчи продуктов под действием микробов. Сегодня многие из этих вторичных производств, в которых ведущую роль играет жизнедеятельность соответствующих микроорганизмов, перенесены с ферм на заводы.

Необходимость увеличения объема сельскохозяйственной продукции и ее качества (питательной ценности, вкусовых достоинств и рыночных качеств) общеизвестна. При этом оно должно осуществляться экономически приемлемыми способами, а также с учетом влияния на окружающую среду.

Развитые страны могут позволить себе в больших масштабах применять химические удобрения, но многим другим странам это недоступно, и они вынуждены искать иные пути. Основным необходимым для роста элементом является азот. Он отнюдь не принадлежит к числу редких, но чтобы перевести азот в форму, доступную растениям, его надо фиксировать.

Большое внимание привлекают к себе биологические способы снабжения растений фосфором, а также контроля за вредителями и болезнями растений. В этой области осуществляется переход от лабораторных экспериментов к практике. Разрабатываются способы выращивания ценных культур в контролируемых условиях. Быть может, самый большой вклад, который может внести биотехнология в сельское хозяйство - это улучшение сортов растений. Существенный прогресс здесь будет достигнут благодаря использованию методов генетической инженерии и технологии слияния протопластов.

Бобовые культуры и фиксация азота

Семейство Leguminoseae включает около 625 родов и 18000 видов. Это одно из самых многочисленных и наиболее важных с экономической точки зрения семейств цветковых растений. Семена многих видов бобовых богаты белком. Они являются ценным сырьем для производства кормов и пищевых продуктов. Из растений умеренного климата можно назвать горох и фасоль. В тропических и субтропических зонах возделываются самые разнообразные культуры, включая сою, вигну китайскую, чечевицу и арахис. Многие бобовые - ценные пастбищные культуры (например, различные виды клевера). Они могут служить зеленым удобрением (например, люцерна). Роль бобовых определяется еще и тем, что они способны фиксировать азот атмосферы в корневых клубеньках, которые формируются при участии почвенных бактерий из рода Rhizobium. Образующиеся в них азотистые вещества необходимы для роста растений.

Если какой-то вид бобовых (дикий или культивируемый) долго растет на одном месте, это приводит к постепенному накоплению в почве сожительствующей с ним разновидности ризобиумов. Урожай, особенно если в почве недостает азотистых соединений, нередко зависит от того, образовалась ли в данном месте эффективная (т.е. способная к фиксации азота) ассоциация из растения-хозяина и соответствующей разновидности (штамма) Rhizobium. Нужный штамм не всегда присутствует в том месте, где предполагается выращивать данную культуру, и в таком случае его приходится вносить в почву.

Как только стала ясна роль симбиоза бактерий рода Rhizobium и бобовых, были разработаны способы внесения этих бактерий в почву для улучшения условий культивирования. Их стали добавлять также и к семенам. Затраты на внедрение этого способа инокуляции невелики, транспортные расходы незначительны, а сами методы достаточно несложны, чтобы их можно было внедрить в сельское хозяйство развивающихся стран, где высокая стоимость удобрений ложится тяжелым грузом на плечи фермеров. Выращивание бобовых с применением метода инокуляции семян нередко благоприятно сказывается на состоянии окружающей среды: оно помогает бороться с наступающей пустыней, облегчает борьбу с эрозией почв, уменьшает перенос почвы ветрами и позволяет с большим успехом восстанавливать истощенные земли. Большинство образующих клубеньки бобовых способны полностью удовлетворить свои потребности в азоте. Это, конечно, бывает только тогда, когда и прочие условия благоприятствуют росту растений, т.е. растения получают достаточно воды и других питательных веществ.

Наиболее простой способ инокуляции основан на использовании почвы, взятой с полей, где выбранная для выращивания культура бобовых растет хорошо. Этот способ вполне пригоден и широко применялся в конце XIX в. Недостаток его заключается в том, что при этом приходится перемещать много почвы, так как Rhizobium составляют лишь малую часть микрофлоры и ничтожную часть самой почвы. В Америке обычно вносили 100 - 1000 кг почвы на 1 га. Брали эту почву с расположенного где-нибудь недалеко поля, где был получен хороший урожай нужной бобовой культуры. Еще один недостаток этого метода - возможность распространения с почвой болезней растений.

Гораздо меньше почвы необходимо вносить при помощи сеялок, когда бактерии попадают прямо к семенам, где они нужнее всего. На основе этого простого способа был разработан метод прямой инокуляции семян. Сначала применяли измельченную почву (всего около 0,5 кг почвы на 1 кг семян), а затем стали использовать методы, основанные на введении чистых культур бактерий.

B промышленном масштабе пробирочные культуры Rhizobium тещей для инокуляции люцерны производились в Англии с 1929 по 1963 г. Для инокуляции семян бактерии с поверхности косяка и суспендировали в снятом молоке, к которому добавляли немного фосфата кальция. Эту смесь выливали на кучу зерна и хорошо все перемешивали, а затем давали просохнуть в тени. При этом бактерии прилипали к поверхности семян, а пленка высохшего молока надежно их защищала. В идеальном случае семена вскоре высевали. Этот метод пригоден для выработки небольших партий инокулята и соответствовал потребностям потребителей, выращивающих люцерну в Англии, но сегодня такие культуры здесь больше не производят. Сегодня в Англии коммерческие препараты не производятся, но из Австралии и США импортируются высококачественные препараты на торфяной основе.

Rhizobium, выращенные на агаре или в жидкой среде, после высушивания на поверхности семян быстро погибают, да и сами культуры их нежизнестойки. Этих недостатков лишены инокуляты на торфяной основе, которые были созданы в США, а сегодня применяются повсеместно. При получении культуру нужного штамма Rhizobium выращивают обычным способом в ферментере объемом в несколько литров в жидкой среде (например, содержащей маннитол и дрожжевой экстракт). Установка может быть очень несложной, лишь бы ее устройство обеспечивало защиту от микробного загрязнения. Температуру среды поддерживают в интервале 25 - 28 °C, и осуществляют интенсивную аэрацию, продувая через среду стерильный воздух. Контроль за рН осуществлять не нужно, особенно если в среду добавлено немного СаСО₃. К моменту смешивания с торфом (носителем) - стерильным или нестерильным - плотность культуры должна быть достаточно высокой, 5×10⁸ - 4×10⁹ клетка/мл.