|
|
ЛЕКЦИЯ 9 , биотехнология в сельском хозяйстве. Лекция сельское хозяйство и биотехнология
ЛЕКЦИЯ 9. СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО И БИОТЕХНОЛОГИЯ
1 Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве. 2 Улучшение сортов растений.
3 Биологическая фиксация азота бобовыми культурами при симбиозе. 4 Биологический контроль.
1 Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве.
Прогресс в сельскохозяйственном производстве и производство продуктов питания в целом зависит от почвенных, водных и энергетических ресурсов, которые в принципе могут быть увеличены, но обычно рассматриваются как ограниченные.
Достижения в этих областях зависят также от возобновляемых биологических ресурсов, таких, как культурные растения, домашние животные и микроорганизмы. Повышение биологической продуктивности организмов является предметом активных исследований естественных наук.
Удельный вес биотехнологических методов в этих исследованиях постоянно возрастает. Методы биотехнологии применяются при использовании микроорганизмов для получения полезных веществ, приготовлении продовольственных продуктов, их консервировании и улучшении питательных свойств.
В этой области усилия ученых направлены на увеличение выхода продукции, повышение ее питательности, увеличение устойчивости растений к неблагоприятным погодным условиям, патогенам и вредителям наряду с поддержанием достаточного разнообразия среди культурных видов и сохранением генетических ресурсов, которые заложены в близких к ним диких видах. Концепции и методы генетики растений быстро развиваются благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и особым присущим растениям свойствам. Поэтому она вносит весомый вклад в проводимые исследования.
Увеличение объема сельскохозяйственной продукции 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 другие пути. Основным необходимым для роста растений элементом является азот. Он не принадлежит к числу редких, но чтобы перевести азот в доступную растениям форму, его надо фиксировать. В ходе эволюции выработался эффективный процесс биологической фиксации азота при симбиозе. Сейчас интенсивно изучается процесс несимбиотической фиксации азота, но на практике он применяется пока в ограниченном масштабе.
Большое внимание привлекают к себе биологические способы снабжения растений фосфором, а также контроля за вредителями и болезнями растений. Разрабатываются способы выращивания ценных культур в контролируемых условиях.
Пожалуй, 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 технологий слияния протопластов.
Улучшение сортов растений.
Исследовательская работа по селекции новых высокоурожайных сортов хлебных злаков, в первую очередь пшеницы, была начата после второй мировой войны. Новые сорта пшеницы и риса, выведенные в различных странах, за 10 лет (1960-1970) распространились по всему миру и способствовали значительному повышению урожаев. Стал применяться целый комплекс мер, направленных на увеличение сельскохозяйственного производства в развивающихся странах на основе использования новых сортов, особенно пшеницы и риса. Эти сорта имеют короткий и жесткий стебель, хорошо реагируют на внесение удобрений и обладают устойчивостью ко многим распространенным заболеваниям. Для культивирования данных сортов помимо удобрений и качественной сельскохозяйственной обработки требовались различные пестициды, а также орошение.
Скрещивание новых сортов с местными выносливыми линиями позволило получить сорта, еще более приспособленные к условиям района их возделывания и дающие более высокие урожаи.
Достигнутые результаты можно отнести к числу исследований по генетике и усовершенствованию растений. Использованная для их получения техника заключалась в переносе методом скрещивания целых групп хромосомных детерминант. Поскольку большинство
растений, потребляемых в пищу, содержит по несколько наборов хромосом (три-, тетра- или даже гексаплоидные виды), у потомства при таких скрещиваниях может проявляться весьма широкий спектр признаков, а роль селекционера состоит в отборе среди этого потомства особей с нужными признаками.
Современные исследования по улучшению культурных растений направлены на селекцию и культивирование новых сортов, устойчивых к болезням, вредителям и засухе, и которые можно будет выращивать без применения удобрений и пестицидов.
Такого рода исследования базируются уже не на методах скрещивания, перекрестной гибридизации и перекрестного опыления. Новые разработки, в которых используются культуры клеток, протопластов и тканей, а также методы генной инженерии нацелены на создание культурных сортов направленным воздействием на наследственные структуры и клеточные механизмы, которые обеспечивают биологическое разнообразие. Новые методы значительно сокращают затраты времени и труда, но им свойственна и некоторая непредсказуемость результатов. Техника рекомбинантных ДНК и ее последовательная адаптация к миру растений способствуют преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию. Она позволяет также увеличить генетическое разнообразие, которому нанесло значительный ущерб разрушение среды обитания диких видов, что в свою очередь сделало многие культивируемые виды и сорта чрезвычайно уязвимыми для патогенных микроорганизмов и паразитов.
Наряду с коллекциями семян, которые до сих пор далеки от предъявляемых к ним требований, все большую роль в обеспечении генетической изменчивости и разнообразия станут играть культуры клеток и тканей, а также анализ миллионов клеточных линий.
Биологическая фиксация азота бобовыми культурами при симбиозе.
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, чечевицу, арахис. Многие бобовые – ценные пастбищные культуры, например, различные виды клевера. Они могут служить зеленым удобрением (люцерна), дают нам лесоматериалы, клеящие вещества, волокна, лекарства и пряности.
Роль бобовых определяется еще и тем, что они способны
фиксировать азот атмосферы в корневых клубеньках, которые формируются при участии почвенных бактерий рода Rhizobium. Образующиеся в них азотистые вещества необходимы для роста растений.
Об участии клубеньковых бактерий в фиксации атмосферного азота стало известно сравнительно недавно (примерно 100 лет назад).
Культура, из которой можно получать богатые белком пищевые продукты и которая не требует (или требует очень мало) азотных удобрений, несомненно выгодна, и бобовые стали важной сельскохозяйственной культурой в Европе, в Северной Америке и на других континентах. Установлено, что среди бобовых, играющих важную роль в сельском хозяйстве, примерно 98% видов могут образовывать клубеньки. У диких видов они чаще всего формируются при участии особых разновидностей бактерий-ризобиумов, существующих в природном местообитании.
Если какой-то вид бобовых долго растет на одном месте, это приводит к постепенному накоплению в почве азотфиксирующих бактерий. Урожай бобовых в значительной степени зависит от того, образовалась ли в данном месте эффективная ассоциация из растения и соответствующей разновидности 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 смешивать с семенами. 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 высока стоимость удобрений.
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 ветром и позволяет с большим успехом восстанавливать истощенные земли. Большинство образующих клубеньки бобовых способны полностью удовлетворить свои потребности в азоте. Однако это 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 широко применялся еще в
конце ХIХ века. Недостаток его заключался 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 неподалеку 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 примерно 0,5 кг почвы на 1 кг семян), а затем стали использовать методы, основанные на введении чистых культур бактерий.
Первая разновидность коммерческой культуры для инокуляции была запатентована в 1896 г. Она поступала на рынок под названием
«Nitragin». Для разных бобовых выпускалось 17 ее вариантов. Уже в 20-х гг. ХХ века на рынок поступало много других разновидностей инокулятов. Некоторые из них представляли собой чистые культуры бактерий, смешанные с почвой, песком, торфом, навозом или измельченной породой, другие – культуры, выращенные на агаре или в жидкой среде.
Суть метода инокуляции семян заключается в том, что на семена наносят большое число клеток Rhizobium, соответствующих определенному виду растения-хозяина, что увеличивает вероятность быстрого образования клубеньков у проростков при участии данных микроорганизмов. Для этого нужно достаточно много бактерий, которые должны сохранять жизнеспособность до тех пор, пока в почве они не проникнут в корневые волоски. Для прямой инокуляции семян пригодны культуры Rhizobium, выращенные в пробирках или колбах на среде с агаром.
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, и сейчас применяются повсеместно.
При получении культуры нужного штамма Rhizobiumвыращивают обычным способом в ферментере объемом несколько литров в жидкой среде. К моменту смешивания с торфом (носителем)
– плотность культуры должна быть достаточно высокой, 5·108-109 клеток/мл. В случае медленно растущих штаммов, со средним временем удвоения числа клеток около 10 часов, обычно бывает сложно получить культуру с высокой плотностью, и нередко даже
размножение более быстро растущих штаммов подавляется видами- загрязни-телями. Для обеспечения быстрого роста культуры на жидкой среде полезно вносить сразу много бактерий.
При приготовлении носителя для Rhizobium торф высушивают либо при обычной температуре, либо при осторожном нагревании до влажности 10%, затем измельчают при помощи мельницы и доводят до рН 6,5-7, добавляя СаСО3. Рост и выживание бактерий в торфе зависят от многих факторов. Поэтому на каждой партии торфа для получения инокулятов проводят пробные выращивания именно тех штаммов, которые предполагается использовать.
Твердый инокулят состоит из бактерий и носителя, роль которых заключается в поддержании жизнеспособности клеток, поскольку он частично защищает их от пересыхания. Кроме того, носитель способствует более равномерному распределению бактерий в массе семян и помогает им прикрепиться к поверхности семян. Хотя в случае бактериальных суспензий нередко получают хорошие результаты, считается, что применение торфа как носителя более эффективно: т.к. при использовании жидких культур или же суспензий клетки Rhizobium после инокуляции и прикрепления их к поверхности семян оказываются практически беззащитными. Поэтому при производстве коммерческих инокулятов вначале чаще всего использовали именно торф. Однако торф есть далеко не везде, а если он имеется, то сказать заранее, пригоден ли он как носитель, невозможно. В связи с этим были предприняты поиски альтернативных носителей с такими же защитными свойствами, как у торфа.
С неодинаковым успехом для этой цели были испробованы всевозможные композиции: разнообразные смеси почвы и торфа, измельченная солома, нильский ил с добавками питательных веществ, кокосовые хлопья, древесный уголь. Сегодня для поддержания жизнеспособности Rhizobiumполучают носители из самых разнообразных веществ, но лучшим носителем все же является торф. В некоторых регионах, например в развивающихся странах, определенную ценность могут представлять дешевые местные заменители торфа.
Самый простой но наиболее эффективный метод инокуляции – смешивание сухого инокулята и семян перед посевом. При этом к семенам прикрепляется мало бактериальных клеток, большая часть их теряется, и необходимое условие нанесения достаточного числа клеток Rhizobiumна семена не выполняется. Поэтому лучше вносить инокулят в виде водной кашицы. Хорошо прилипает к семенам инокулят на торфе, особенно если добавить к нему водорастворимый
клей (карбоксиметилцеллюлозу). При этом повышается выживаемость бактерий после высушивания семян.
Симбиотические отношения, приводящие к фиксации азота, - это наиболее эффективный способ биологического образования аммиака, потребляемого сельскохозяйственными культурами. Влияя на них можно достичь значительного прогресса в использовании биологической фиксации азота для производства пищевых продуктов. Для расширения масштабов и эффективности систем фиксации азота необходимо глубже понять генетику бактерий Rhizobium, чтобы не зависеть столь сильно от природных систем симбиоза, а формировать их с участием любого желаемого вида растений, употребляемых в пищу.
Биологический контроль.
Уже в самом начале развития микробиологии стало известно, что одни микроорганизмы могут подавлять рост других (биологический контроль). Наиболее важным результатом интенсивных исследований в этой области было открытие антибиотиков и разработка способов их применения в клинике. Большое внимание привлекла к себе возможность использования одних микроорганизмов для регуляции численности популяций других благодаря действию антагонистических или конкурентных механизмов.
Биологический контроль осуществляется в природе и помогает предотвратить болезни растений, но мы далеко не всегда понимаем, каков его механизм и как им можно управлять с пользой для сельского хозяйства. Успехи в этой практической области исследований весьма незначительны, потому что слишком мало усилий предпринималось для изучения поведения смешанных популяций микроорганизмов в почве и на поверхности растений.
Есть и примеры систем биологического контроля, которые можно считать биотехнологическими. Например: известна антагонистическая активность гриба Trichoderma. Если внести во влажную почву значительное количество Trichoderma lignorum, то он подавит болезнь «черная ножка» (выпревание проростков), главным образом благодаря действию токсина, который можно выделить из фильтратов культур гриба. Известно, что другие виды Trichodermaвступают в антагонизм или прямо паразитируют на многих грибах и способны существенно снижать заболеваемость, вызываемую рядом почвенных патогенов растений.
В Европе базидиомицет Fomesannosusявляется основным возбудителем сердцевинной гнили хвойных, особенно елей. Он сражает также лиственные породы и лесоматериалы. Заражение этим
грибом сосновых пней тоже нежелательно, так как инфекция распространяется на их корни, а затем и на корни соседних здоровых деревьев. Заселение пней этим грибом можно предотвратить, засеяв их спорами другого гриба-базидиомицета, Peniophora gigantea. Гриб разрастается на пнях, и, контактируя с Fomesannosus, подавляет развитие сердцевинной гнили.
Скорее всего любой организм, избранный в будущем для осуществления биологического контроля, будет действовать на патогены двояким способом: либо образуя вещества-ингибиторы, либо конкурируя за питательные вещества.
Ключевые слова и понятия
биологическая продуктивность
|
симбиоз
|
биологический контроль
|
бактерии-ризобиумы
|
инокуляция
|
сорт
|
патогенны
|
гриб Trichodermalignorum
|
протопласты
|
базидиомицет Fomesannosus
| |
|
|
Скачать 29.56 Kb.