Снабжение семян защитным покрытием, которое также снабжает прорастающие растения необходимыми питательными веществами, может позволить выращивать урожай на непродуктивных почвах, согласно новому исследованию Массачусетского технологического института.
Команда инженеров покрыла семена шелком, обработанным бактериями, которые естественным образом производят азотное удобрение, чтобы помочь прорастающим растениям развиваться. Испытания показали, что эти семена могут успешно расти в почвах, которые слишком соленые, чтобы необработанные семена могли нормально развиваться. Исследователи надеются, что этот процесс, который можно применять недорого и без необходимости в специальном оборудовании, может открыть для земледелия участки земли, которые сейчас считаются непригодными для сельского хозяйства..
Выводы будут опубликованы на этой неделе в журнале PNAS, в статье аспирантов Августина Звинаваше '16 и Хуи Сун, постдока Юджина Лима и профессора гражданской и экологической инженерии Бенедетто Марелли.
Работа возникла на основе предыдущего исследования Marelli по использованию шелковых покрытий для продления срока годности семян, используемых в качестве продовольственных культур. «Когда я проводил некоторые исследования по этому поводу, я наткнулся на биоудобрения, которые можно использовать для увеличения количества питательных веществ в почве», - говорит он. В этих удобрениях используются микробы, которые живут в симбиозе с определенными растениями и преобразуют азот из воздуха в форму, которая легко усваивается растениями.
Это не только обеспечивает естественное удобрение для растений, но и позволяет избежать проблем, связанных с другими подходами к удобрению, говорит он: «Одна из больших проблем с азотными удобрениями заключается в том, что они оказывают большое воздействие на окружающую среду, потому что они очень энергично требовательны к производству». По словам Марелли, эти искусственные удобрения также могут оказывать негативное влияние на качество почвы.
Хотя эти азотфиксирующие бактерии естественным образом встречаются в почвах по всему миру, а различные местные разновидности встречаются в разных регионах, их очень трудно сохранить вне их естественной почвенной среды. Но шелк может сохранять биологический материал, поэтому Марелли и его команда решили испытать его на азотфиксирующих бактериях, известных как ризобактерии.
«Нам пришла в голову идея использовать их для покрытия семян, и как только семена попадали в почву, они оживали», - говорит он. Однако предварительные испытания не увенчались успехом; бактерии не сохранились так, как ожидалось.
Именно тогда Звинаваше пришла в голову идея добавить в смесь особое питательное вещество, разновидность сахара, известную как трегалоза, которую некоторые организмы используют для выживания в условиях маловодья. Шелк, бактерии и трегалоза были суспендированы в воде, и исследователи просто замачивали семена в растворе на несколько секунд, чтобы получить равномерное покрытие. Затем семена были протестированы как в Массачусетском технологическом институте, так и в исследовательском центре Политехнического университета Мохаммеда VI в Бен-Герире, Марокко. «Это показало, что техника работает очень хорошо», - говорит Звинаваше.
Полученные растения, благодаря постоянному производству удобрений бактериями, развивались лучше, чем растения из необработанных семян, и успешно росли в почве с полей, которые в настоящее время не пригодны для сельского хозяйства, говорит Марелли.
На практике такие покрытия могут быть нанесены на семена путем погружения или распыления, говорят исследователи. Любой процесс можно проводить при обычной температуре и давлении окружающей среды.«Этот процесс быстрый, простой и может быть масштабируемым», чтобы его могли использовать более крупные фермы и неквалифицированные производители, - говорит Звинаваше. «Семена можно просто покрыть окунанием на несколько секунд», чтобы получить покрытие толщиной всего несколько микрометров.
Обычный шелк, который они используют, «растворим в воде, поэтому, как только он попадает в почву, бактерии высвобождаются», - говорит Марелли. Но покрытие, тем не менее, обеспечивает достаточную защиту и питательные вещества, чтобы позволить семенам прорастать в почве с уровнем засоленности, который обычно препятствует их нормальному росту. «Мы видим растения, которые растут в почве, где иначе ничего не растет», - говорит он.
Эти ризобактерии обычно служат удобрением для бобовых культур, таких как обыкновенная фасоль и нут, и до сих пор они были в центре внимания исследований, но их можно адаптировать и для работы с другими видами культур. и это часть продолжающегося исследования команды.«Существует большой толчок к распространению использования ризобактерий на небобовые культуры», - говорит он. По его словам, одним из способов добиться этого может быть изменение ДНК бактерий, растений или того и другого, но это может и не понадобиться.
«Наш подход почти не зависит от вида растений и бактерий», - говорит он, и может оказаться возможным «стабилизировать, инкапсулировать и доставить [бактерии] в почву, чтобы она стала более благоприятной для прорастания». " и других видов растений.
Даже если ограничиться бобовыми культурами, этот метод все же может иметь большое значение для регионов с большими площадями засоленных почв. «Учитывая то волнение, которое мы испытали в связи с нашим сотрудничеством в Марокко, - говорит Марелли, - это может иметь большое значение».
В качестве следующего шага исследователи работают над созданием новых покрытий, которые могли бы не только защитить семена от засоленной почвы, но и сделать их более устойчивыми к засухе, используя покрытия, поглощающие воду из почвы. Между тем, в следующем году они начнут пробные посадки на открытых экспериментальных полях в Марокко; их предыдущие посадки были сделаны в помещении в более контролируемых условиях.
Исследование было частично поддержано Исследовательской программой MIT Polytechnique Université Mohammed VI, Управлением военно-морских исследований и Управлением декана по аспирантуре и исследованиям.