8. Как создаются биостимуляторы растений.

Бесчисленное множество исходных веществ делает исследование биостимуляторов чрезвычайно сложным.

Производитель объяснил нам процесс разработки.

 

Проблема разработки биостимулятора заключается в выборе из множества исходных материалов, из которых надо выбрать «правильные» для получения определенного эффекта у растений (например, повышения устойчивости к засухе). Как это делается и какие этапы разработки проходят до тех пор, пока готовый продукт не будет произведен, нам объяснили в исследовательском центре Syngenta в Штайне, Швейцария, в кантоне Ааргау, недалеко от Бад-Зекингена.

Тот факт, что это чрезвычайно сложный процесс, подтверждается также тем, что над ним работают представители многих различных дисциплин. Помимо физиологов и специалистов по питанию растений, в работе также принимают участие специалисты по фитогормонам и абиотическому стрессу, почвоведы и специалисты по моделированию, а также специалисты по так называемому цифровому фенотипированию.

ПОНЯТНЫЕ ЦЕЛИ УКАЗЫВАЮТ НАПРАВЛЕНИЕ

Важнейший вопрос в начале исследования новых биостимуляторов: «Для чего нужен биостимулятор?» По сути, это означает конкретную цель, которую вы хотите достичь с помощью биостимулятора. Целью может быть:

•            экономия удобрений,

•            лучшая устойчивость к частым периодам жары и засухи или

•            высокое качество собранного урожая (например, калибр картофеля).

В компании Syngenta исследователи биостимуляторов могут воспользоваться опытом исследовательской подгруппы по моделированию воздействия на окружающую среду сельскохозяйственных культур. Их работа заключается в определении так называемых «сред» для потенциальных применений. Результатом такого исследования может быть, например, то, что в каком-то регионе (например, в Центральной и Южной Европе) есть определенная территория с дефицитом влаги и на которой кукуруза испытывает стресс от засухи в течение определенного периода времени, т. е. на определенной стадии развития. Также рассчитываются потери урожая, вызванные засухой.

Другим сценарием может стать, например, недостаточное поступление азота в пшеницу. Причинами могут быть: регулируемые нормы внесения, как в «красных» зонах или просто недостаточная доступность удобрений. В этом случае ясной целью было бы повышение эффективности использования азота пшеницей.

 

Только на следующем этапе «Environmental Crop Modeller » приступает к своей реальной работе — моделированию. В так называемом моделировании путей они показывают, как происходят изменения, например, факторов окружающей среды или свойств растений. Например, модельный расчет может показать, что, если растение имеет более глубокие корни в определенной среде, оно может получить доступ к большим запасам воды.

Таким образом, ученые могут сделать следующие выводы из моделирования: «Если вы сможете заставить кукурузу развить более глубокую корневую систему, вы сможете смягчить стресс от засухи в некоторых регионах Южной Европы, в результате чего урожайность останется стабильной, несмотря на жару и засуху».

Это всего лишь один пример из бесчисленного множества других, которые можно смоделировать для формулирования конкретного целеполагания. Но оставляют обычно следующие общие цели:

• Более высокая устойчивость к абиотическому стрессу: жара, холод, засуха или солевой стресс могут ослабить урожай посредством различных механизмов. Результатом является более уязвимые растения и более низкая урожайность.

• Повышение эффективности использования питательных веществ: сокращение применения удобрений теперь является скорее правилом, чем исключением, учитывая регулирование в отношении удобрений и их высокую стоимость. Чтобы по-прежнему получать стабильные урожаи, важно оптимизировать эффективность использования питательных веществ.

• Усиление роста и жизнеспособности: для достижения стабильной урожайности, несмотря на желаемое сокращение использования пестицидов, необходимы устойчивые растения. Это необходимо для предотвращения сильного поражения заболеваниями и вредителями.

• Стабилизация качества: Розничная торговля и потребители предъявляют самые высокие требования к качеству продукции. Чтобы обеспечить сбыт продукции, фермеры должны соблюдать эти требования.

ПОИЩЕМ ИГОЛКУ В СТОГЕ СЕНА?

После того, как цель определена — настолько конкретно, насколько это возможно — следующим шагом является выявление исходных веществ природного происхождения, которые можно использовать для достижения цели. Многие вещества, подходящие для этой цели и используемые в настоящее время, можно отнести к одной из следующих групп (см. также Рисунок 2):

Гуминовые вещества: К ним относятся, например, гуминовые и фульвокислоты. Гуминовые вещества встречаются в основном в органическом веществе в почве и воде, а также в геологических органических отложениях, таких как вулканическая почва, осадочные отложения, щебень, лигнит или сланец.

Микробиологические вещества: К ним относятся полезные грибки, такие как Арбускулярные микоризные грибы (AMF) или грибы рода Trichoderma. Кроме того, существуют Себациновые грибы, которые могут жить вне растений, и полезные бактерии, такие как стимулирующие рост растений ризобактерии, к которым также относятся хорошо известные клубеньковые бактерии (ризобии).

Экстракты водорослей: в основном они содержат полисахариды (сложные сахара), полифенолы (вторичные растительные вещества), макро- и микроэлементы, а также азотсодержащие соединения, такие как бетаины и фитогормоны. Большинство коммерческих экстрактов водорослей получают из бурых водорослей, таких как Ascophyllum nodosum (подробнее о сборе водорослей читайте в разделе «Получение сырья»).

Экстракты растений: основные компоненты включают витамины (B1, B2, B6, C), флавоноиды, антоцианы и фитогормоны. Растительные экстракты часто используются в фармацевтических и косметических товарах, а также в продуктах питания и пестицидах.

Белковые гидролизаты и другие азотсодержащие соединения: Белковые гидролизаты содержат смесь пептидов и аминокислот животного и растительного происхождения. К азотсодержащим веществам относятся 20 аминокислот, участвующих в биосинтезе белка, и небелковые аминокислоты.

Хитозаны и другие полимеры: Хитозаны получают из хитина, который, в свою очередь, содержится в экзоскелете ракообразных, таких как креветки и крабы, а также в клеточных стенках некоторых грибов.

Неорганические вещества: к ним относятся такие химические элементы, как алюминий, кобальт, натрий, селен или кремний, которые получают из почвы или растений.

Этот краткий список примеров иллюстрирует огромное количество возможных для использования веществ. Разработчики биостимуляторов имеют доступ к гигантским фондам разнообразных технологий/исходных веществ. Существуют внутренние пулы, принадлежащие компании, а также внешние, доступ к которым можно получить в рамках сотрудничества — только так можно использовать все многообразие. Такое сотрудничество часто подразумевает проведение фундаментальных исследований, которые необходимы для развития. Здесь компании, университеты и национальные научно-исследовательские институты тесно сотрудничают и постоянно обмениваются информацией, а это означает, что новые вещества постоянно пополняют фонды.

Вы можете подумать, что поиск подходящего исходного вещества похож на поиск иголки в стоге сена. Но это не совсем так. Знания о физиологии растений в настоящее время настолько обширны, что исследователи могут с большой долей вероятности классифицировать, какое вещество может вызывать какие-либо процессы в растении. Это значит, что вам не придется каждый раз начинать поиск с нуля, а можно быстро сосредоточиться на группе. Однако внутри группы все становится более детальным.

 

СМЕСЬ РЕШАЕТ

Также важно знать, что биостимулятор обычно состоит не из одного вещества или экстракта, а из смеси нескольких. Преимущество такого «коктейля» с разными веществами в том, что он может воздействовать на разные механизмы действия. Если использовать в качестве примера стресс, вызванный засухой, то это может означать, что стимулируется не только рост корней, но и, возможно, контроль устьиц листьев.

Чтобы выяснить, насколько высок потенциал соответствующего коктейля, ученые на ранних этапах исследований проводят так называемые биотесты. Это может быть, например, испытания в контролируемых условиях, т. е. в лаборатории или теплице, в которых наблюдается влияние веществ на рост всего растения, на развитие рассады или на рост корней. Для проведения биотестов коктейли на этом этапе уже «предварительно сформулированы».

Исследователи используют полученные результаты для дальнейшей оптимизации коктейля. Цикл обратной связи и, следовательно, оптимизация смеси повторяются до тех пор, пока результаты биологических испытаний не станут удовлетворительными. Разработчики продукции компании Syngenta стремятся понять функциональные закономерности важнейших исходных веществ.

Поиск мощного «исходного вещества» является самым важным шагом во всей фазе исследования. Только когда с «сырым коктейлем» все в порядке, он переходит к дальнейшей оптимизации, которая в первую очередь касается окончательной формулировки и стратегий применения. Весь процесс исследований и разработок схематически показан на рис. 3.

 

ПЕРВЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ЦЕЛЕВОЙ КУЛЬТУРЕ

После того, как вы определились с пробным коктейлем и определились с его предварительной формулой, можно переходить к следующему этапу тестирования. В этом исследовании ученые более подробно изучают эффективность продукта в той культуре, в которой он впоследствии будет использоваться. Они обращают внимание на мельчайшие эффекты, что требует большого объема выборок в самых разных исследованиях. Ниже представлены четыре примера:

 Молекулярная характеристика: Физиология растений в настоящее время очень хорошо изучена вплоть до молекулярного уровня. Сегодня молекулярные методы можно использовать для определения, например, было ли применено то или иное вещество. Например, могут быть изменены сигнальные пути или пути биосинтеза гормона, который вырабатывается в повышенных количествах во время стресса, вызванного засухой. Эти изменения обнаруживаются с помощью так называемых «омических» технологий. Сюда входит, например, «Транскриптомика» (это описывает изменения на уровне экспрессии генов) или «метаболомика» (это описывает изменения на уровне продуктов метаболизма). Эти методы дают хорошие подсказки для более точной характеристики потенциала биостимуляторов.

Фенотипирование растений: это определение влияния биостимулятора на видимые характеристики растений, такие как развитие корня или рост растения. Кроме того, часто исследуются воздействия на физиологию растений, например, измерение содержания хлорофилла в листьях.

Исследовательский центр имени Штейна использует, помимо прочего, оборудование для фенотипирования. Он оснащен двумя RGB-камерами, которые фотографируют растения сверху и сбоку. Программное обеспечение для автоматического анализа изображений используется, среди прочего, для определения биомассы и площади листьев. Растения перемещаются по объекту с помощью конвейерной ленты и современной робототехники.

Если растения ранее были посеяны в так называемых ризотронах, этот метод также можно использовать для обнаружения роста корней.

Взвешивание горшков с растениями: чтобы определить, сколько воды потребляет растение, используются высокоточные весы в контролируемых условиях климатической камеры. На этих тележках размещаются горшки с определенным количеством растений. Путем точного полива каждого отдельного контейнера точно определенным количеством воды и последующего измерения веса можно точно рассчитать потребление воды растениями.

Анализ флуоресценции хлорофилла: чтобы получить информацию о фотосинтетической активности или возможном стрессе растения, ученые также измеряют флуоресценцию хлорофилла. С помощью этого метода они могут получить более глубокое представление о состоянии здоровья, а также о поглощении азота и его использование тестовыми растениями, выходящее далеко за рамки простой регистрации зелени растений.

На этом этапе разработки, когда большинство испытаний все еще проводятся в лабораторных условиях, в климатической камере или в теплице, уже проводятся и исследования по применению. Это могут быть, например, испытания на норму внесения или испытания, определяющие поведение прототипа при использовании различных форсунок. На сегодняшний день проведено лишь несколько полевых испытаний.

ФОРМУЛЯЦИЯ – ЭТО ВЫЗОВ

Поскольку биостимуляторы представляют собой весьма сложные смеси из нескольких компонентов, особенно сложно составить их формулу таким образом, чтобы растения могли их усваивать или чтобы они оказывали свое действие в почве. Эксперты по рецептурам имеют в своем распоряжении целый ряд одобренных компонентов натурального происхождения. Помимо абсорбционной способности, существуют и другие факторы, которые оптимизируются при разработке рецептуры. К ним относятся:

•            выживаемость в течение определенного периода времени, в живых организмах,

•            стабильность при хранении продукта,

•            чистота продукта,

•            удобство использования,

•            совместимость с системами аппликации (распылителями) и

•            смешиваемость с распространенными средствами защиты растений.

Кстати, формула не создается один раз и не остается неизменной — она также проходит многочисленные циклы оптимизации от начала и до конца разработки продукта.

РАЗРАБОТКА ПРОДУКТА И ЕГО ПРОИЗВОДСТВО

После разработки прототипа биостимулятора следующим шагом станет его дальнейшая оптимизация и получение отзывов от практиков. Чтобы это стало возможным, необходимо достаточное количество продукции стабильного качества. Для этой цели используются процессы экстракции, адаптированные к исходному веществу. В зависимости от состава вещества применяют кислотное или щелочное расщепление при низких или высоких температурах или ферментативную экстракцию. Этот шаг важен, поскольку, с одной стороны, вы хотите максимально эффективно использовать сырье, а с другой стороны, вы можете точно соблюдать пропорции активных ингредиентов (доли исходного вещества) в смеси.

Это проверяется с использованием самых современных лабораторных технологий (например, хроматографических и спектрометрических методов). Это позволяет химически и биологически охарактеризовать сотни образцов из каждой партии и таким образом проверить их однородность.

Прежде чем продукт поступает на рынок, он проходит дополнительные испытания. Помимо камеральных экспериментов проводятся также крупномасштабные полевые исследования. Целью этих испытаний, помимо прочего, является выяснение того, оказывает ли продукт достаточный эффект в других культурах и в других (климатических) регионах. Кроме того, безопасность для пользователей и окружающей среды проверяется в различных условиях эксплуатации. Даже когда продукт уже находится на рынке, он постоянно оптимизируется на основе практической обратной связи. Подробнее о производстве биостимуляторов для растений и их одобрении читайте в следующей публикации.

 

ПОЛУЧЕНИЕ СЫРЬЯ. КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Разнообразие сырья, из которого извлекаются исходные вещества, велико. Часто используемым сырьем являются водоросли. Далее мы объясним, как собирать бурые водоросли (Ascophyllum nodosum) и как их экстрагировать. Бурые водоросли произрастают в Северном Ледовитом океане, в том числе у берегов Норвегии. Их среда обитания формируется под воздействием морских приливов. Поэтому он подвергается воздействию ледяного холода, а также сильного ультрафиолетового излучения. Чтобы противостоять этим стрессовым ситуациям, они вырабатывают естественные защитные вещества, которые способствуют его жизнеспособности. Этим защитным веществам можно найти применение на наших культурах, например, для улучшения способности удерживать воду и доступность питательных веществ, а также стимулирования роста растений.

Чтобы извлечь защитные или антистрессовые вещества, водоросли необходимо сначала собрать. Здесь важна правильная дата сбора урожая. Это связано с тем, что факторы стресса и, следовательно, реакция водорослей на стресс меняются в течение года. Таким образом, химический состав и соотношение стрессовых веществ также различаются. Влияющие факторы:

•            возраст водорослей,

•            любой водный стресс, который может возникнуть,

•            местные условия окружающей среды во время сбора урожая и

•            условия роста.

Для максимально бережного извлечения веществ используются инновационные методы экстракции. Специальная адаптация процессов экстракции позволяет получать растворы с различными ингредиентами.

Для обеспечения устойчивости сбор урожая осуществляется только каждые пять лет в одном и том же месте и в соответствии с положениями Нагойского протокола. Это регулирует, среди прочего, доступ к генетическим ресурсам и участие в результатах, получаемых в результате использования генетического ресурса.

Дэниел Даббелт