– Сегодня я сам себе задам вопрос, а вы послушайте, как я стану искать ответ на него. Если не понятно – перебивайте, задавайте вопросы, – так я начал разговор, когда мы с моими друзьями-садоводами в очередной раз собрались за дачным столом на веранде.
Напомню, что во время написания книг об экологическом саде и огороде я стал размышлять над идеей о том, что биоразнообразие микробиома человека тесно связано и определяется биоразнообразием микробиоты в окружающей среде, где он обитает. Поэтому и решил написать книгу о здоровье, где именно этим вопросам я бы уделил побольше внимания. Но где находится основная масса микроорганизмов в окружающей нас природе?
– В навозе. В правильном компосте. В верхнем слое почвы под мульчей, – посыпались ответы садоводов.
– Правильно, но не совсем, ответил я. – Практически вся микробная жизнь природы сосредоточена, сконцентрирована и имеет максимальное разнообразие в двух местах. В ризосфере это зона вокруг корней, куда поступают секреты корней. И в кишечнике червей разных размеров и форм, обитающих вокруг отмирающих и гниющих корней растений.
Так же и у человека. Больше всего бактерий вокруг ворсинок кишечника, которые выделяют секреты для питания бактерий, в носу, где много слизи, во рту, где слюна и остатки пищи, в складках кожи в паху и под мышками, где влажно и есть секреты.
Поэтому сегодня поговорим о жизни бактерий ризосферы, их ученым легче увидеть и изучить, а нам с вами – чтобы легче было затем понять секреты жизни невидимых бактерий кишечника человека.
Когда мы были молодыми, и в школе, и в институте нам объясняли, что микробы нужны в почве, чтобы перерабатывать органику и давать питание растениям. Учили, что нужно в почву вносить полезные бактерии, типа азотофиксаторов, или бактерии-защитники, типа сенной палочки.
Затем мы подросли, и полки магазинов наполнились стимуляторами роста растений, полученных из бактерий и грибов. Но этого очень мало знать и использовать, чтобы создавать разумный экосад. Нам нужно пополнять знания о ризосфере растений, а публикаций на эту тему в последние годы появилось очень много.
Во-первых, сейчас ученые не говорят только о том, что бактерии потребляют сахара и фиксируют азот воздуха, а вводят понятие экологических ниш вокруг корней растений, на листьях, на семенах. Растения вступают с микроорганизмами в сообщества и обмениваются информацией, при этом сами микроорганизмы создают сложные сообщества, а растения выступают как центры, как катализаторы жизни в таких сообществах. Корневые выделения, или корневые экссудаты, представляют собой не просто сахара, а низкомолекулярные органические вещества, являющиеся продуктами фотосинтеза и метаболизма растений: различные углеводы, органические кислоты, аминокислоты, спирты, а также физиологически активные вещества – витамины, ферменты, гормоны, алкалоиды, глюкозиды, флавоноиды и др.
Оказывается, питание микроорганизмов в ризосфере обеспечивают корневые депозиты, которые включают, помимо корневых выделений, высокополимерные слизи полисахаридной и белковой природы, утраченные части растения (корневой чехлик, корневые волоски, отмершие участки корня). Количество бактерий в ризосфере и таких же бактерий в почве на отдалении от корня может отличаться и в 10 раз, и в 100 раз.
Населяющие ризосферу бактерии образуют с корневой системой растений прочные ассоциации и формируют специфические ризосферные бактериальные сообщества, которые называют «ассоциативный симбиоз».
Большинство растений не образуют структуры типа клубеньков, но всегда выделяют слизеподобные вещества, которые способствуют прикреплению бактерий к корням. Бактерии всегда с помощью хемотаксиса двигаются в сторону корневых выделений, или их несет на себе и в себе многочисленная быстро двигающаяся живность, устремляющаяся в сторону корня, где кипит жизнь. Подползла мельчайшая нематода, поела азотофиксаторов в ризосфере, выделила копролит, а в нем миллионы других симбионтных для растений микроорганизмов.
Затем бактерии размножаются и образуют микроколонии, покрытые полисахаридами муцигеля, и приобретают уже свойства организма, детерминированного взаимодействием с корнем. Так формируется голобионт в качестве единицы отбора в эволюции. Повышенное генетическое разнообразие голобионта играет центральную роль в адаптации, ведь растение может менять микрофлору вокруг себя.
Поэтому, когда я опрыскиваю сад АКЧ, я понимаю, что растение отберет те микроорганизмы, которых в почве не хватает, таким образом повышаю биоразнообразие и адаптационные возможности вначале вокруг себя, затем в себе. Тем более в моем качественном АКЧ множество амеб, жгутиковых, нематод, которые молниеносно подползут к корням и принесут только полезные бактерии, в копролитах патогенных бактерий не бывает.
Умными селекционерами теперь микробиом растений признается в качестве дополнительного фактора в селекции культурных растений.
Растение меняет микробные сообщества по погоде и по временам года. Развитие растений сопровождается изменениями состава корневых выделений и корневых депозитов, что отражается на ризосферных бактериях.
В корневой зоне молодых растений доминируют грамотрицательные бактерии родов Pseudomonas, Flavobacterium, Azotobacter и др., которые по мере старения растений сменяются грамположительными – бактериями рода Bacillus и актинобактериями родов Mycobacterium, Streptomyces. По сути, бактерии, питающиеся корневыми экссудатами, заменяются на бактерии-гидролитики (образующие гидролитичесие ферменты), разлагающие корневой опад, старые корешки, микробную биомассу.
Количество бактерий увеличивается после прорастания семени и достигает максимума в период цветения и плодоношения растений. В пределах одного корня микроорганизмы распределены неравномерно: их обилие нарастает в области молодых верхушечных корней, где происходит максимальное выделение растворимых органических соединений.
Содержание ризосферного бактериального сообщества является весьма затратным для растения – в виде корневых экссудатов и ризодепозитов оно теряет 30–50 % продуктов фотосинтеза. И зачем растение тратит свои силы на это?
Ну, во-первых, в почве всегда дефицит азота. Раньше мы читали в основном о клубеньковых бактериях, теперь известно, что азотофиксация осуществляется многими представителями родов Azospirillum, Azotobacter, Agrobacterium, Acetobacter, Klebsiella, Enterobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium и др. Масштабы ассоциативной азотофиксации в зоне умеренного климата достигают 50–150 кг/га молекулярного азота за вегетационный период, в тропических широтах – от 200 до 600 кг/га молекулярного азота в год.
Учеными было показано, что при наличии растений уровень азотофиксации в почве значительно выше, чем в их отсутствие, не только потому, что корневые выделения и корневой опад растений являются энергетическим субстратом для ассоциативных бактерий, но и потому, что в ризоплане создаются благоприятные условия для поддержания высокой активности нитрогеназы (ключевого фермента биологической фиксации азота), поскольку корни растений быстро поглощают азотосодержащие метаболиты азотофиксаторов, а муцигель защищает нитрогеназу от избытка кислорода. Так возникает сопряжение двух уникальных биологических процессов – фотосинтеза и азотофиксации.
Еще одно важное открытие сделали ученые: оказалось, что положительное действие ризосферных ассоциативных азотофиксирующих бактерий на растения основано на комплексе взаимосвязанных свойств: азотофиксации, выделении физиологически активных веществ – стимуляторов роста, антагонизме по отношению к фитопатогенным грибам и бактериям.
Такие ризосферные бактерии, обладающие совокупностью полезных для растений свойств, получили название PGPR (от Plant Growth-Promoting Rhizobacteria – ризобактерии, способствующие росту растений). Появилось новое направление в растительно-микробных взаимодействиях в ризосфере – ретроспективный эволюционно-биосферный подход в изучении формирования, организации и состава бактериальных сообществ почв.
Как пример – изучение эволюции водорослей и высших растений. Доказано, что возникшая в ходе эволюции экскреция водорослями органических соединений была в значительной мере направлена на установление симбиотических отношений между водорослями и гетеротрофными микроорганизмами. Экзометаболиты водорослей, среди которых преобладают углеводы, органические кислоты, азотосодержащие вещества и липиды, ассимилируются бактериями-спутниками. Таким образом, внеклеточные метаболиты водорослей являются основой трофических связей и обусловливают формирование вокруг клеток автотрофов специфической экониши.
Предполагается, что еще в раннем докембрии у анаэробных прокариот возникла способность к азотофиксации, которая затем распространилась среди всех групп бактерий и архей. С появлением фотосинтезирующих организмов (цианобактерий) началось формирование их связей с азотофиксирующими бактериями.
Бактерии влияют на растения двояко:
1. прямая или непосредственная стимуляция роста растений за счет синтеза стимуляторов роста (фитогормонов и других метаболитов) и улучшения питания;
2. опосредованная стимуляция роста растений за счет вытеснения и подавления развития почвенных фитопатогенных микроорганизмов (микроскопических грибов и бактерий).
Итак, рост и развитие растений регулируют фитогормоны – ауксины, цитокинины, гиббереллины и др. Ауксины стимулируют развитие корневой системы, регулируют дифференцировку органов и др. Цитокинины индуцируют деление клеток, повышают всхожесть семян, благотворно влияют на растение, находящееся в неблагоприятных для роста и развития условиях (повышение концентрации солей, гербицидов, отрицательные температуры, засуха). Гиббереллины синтезируются в основном в листьях и стимулируют вегетативный рост, ускоряют прорастание семян.
Продукция фитогормонов (ауксинов, цитокининов, гиббереллинов) широко распространена среди ризобактерий. Эти вещества необходимы им как для собственного развития, так и для установления связей с растениями и другими почвенными микроорганизмами. В целом продуценты различных фитогормонов обнаружены среди ризобактерий родов Azospirillum, Azotobacter, Agrobacterium, Enterobacter, Klebsiella, Pseudomonas, Clostridium, Bacillus.
Антагонизм ризобактерий в отношении фитопатогенов реализуется различными способами, в том числе путем соперничества за такой жизненно важный элемент питания, как железо. Известно более 500 сидерофоров, образуемых почвенными микроорганизмами, в том числе и ризобактериями. Важным механизмом биоконтроля является образование антибиотиков. Продуцируемые ризобактериями антибиотики и токсины непосредственно воздействуют на фитопатогены, приводя к ингибированию их роста или гибели. Показано, что антибиотики бактерий рода Pseudomonas играют важную роль в подавлении болезней растений.
Наибольший спектр антифунгальных антибиотиков пептидной природы образуют бактерии рода Bacillus, что имеет особое значение для биоконтроля, поскольку микроскопические грибы являются наиболее вредоносными возбудителями заболеваний растений. Возможно также взаимодействие биоконтрольных бактерий с фитопатогенными грибами по типу паразитизма, что бывает при обильном развитии фитопатогена, который может служить богатым источником питания для бактерий, продуцирующих гидролитические ферменты (хитиназы, целлюлазы, липазы, протеазы и др.).
В результате контакта с непатогенными бактериями у растений может развиться индуцированная системная устойчивость к заболеваниям. Образуемые ризобактериями салициловая кислота, цианистый водород, липополисахариды, сидерофоры, а возможно, и другие вещества могут быть сигнальными молекулами, запускающими у растений каскад защитных реакций, направленных на повышение устойчивости к фитопатогенам. При этом в растениях отмечается, в частности, усиление лигнификации корневой ткани и повышение содержания фитоалексинов.
Всем нам хочется заселить ризосферу полезными бактериями, спрос рождает предложение, в продаже таких препаратов много. Однако необходимым условием для проявления положительного воздействия PGPR-бактерий на растения является успешное заселение ими ризосферы и поверхности корней. Соответственно, активность колонизации служит важным критерием отбора штаммов ризобактерий, предназначенных для инокуляции (бактеризации) растений. Но отобрать штаммы, которые бы отвечали нужным критериям, пока не удается. Никакие магазинные препараты не могут надолго прижиться в ризосфере, а вот бактерии, которые живут в компостной куче, сделать это могут более успешно.
Я делаю самодельные штаммы, которые отвечают всем этим критериям, потому что в них есть главное – биоразнообразие и натуральное происхождение. Нахожу старые компостные кучи, где растут самая крупная лебеда, крапива и другие сорняки. Раз сорняки большие, значит, в их ризосфере патогенов нет, а разнообразие максимальное. Откапываю так, чтобы на корневых волосках оставалось побольше частиц почвы, ополаскиваю в ведре с водой, добавляю мелассу и аэрирую воздухом подольше, пару дней. Число полезных ризобактерий увеличивается в тысячи раз, и этим АКЧ я поливаю культурные растения.
Ризосферный удар виден всегда: со второго по пятый день после обработки листья зеленеют и идут в рост, фотосинтез работает с удвоенной энергией. Затем растения еще пару недель противостоят болезням.
Важно и то, что я всегда попадаю в нужную фазу. Томаты растут – вырываю молодые растущие сорняки с нужными бактериями. Томаты цветут – вырываю цветущие сорняки. Плоды наливаются – вырываю плодоносящие сорняки, микробы которых перегоняют сахара в плоды. Осенью вырываю засыхающие сорняки, бактерии которых быстро перерабатывают гниющие остатки культурных растений на грядках, превращают их в гумус.
И если я таким ризосферным АКЧ из года в год опрыскиваю свой сад, то в организме всех членов моей семьи постепенно приживаются только полезные микроорганизмы, которые вытесняют патогенов и не вызывают аллергию.