Остались вопросы

Биотехнологии как инструмент решения вопроса продовольственной безопасности

В настоящее время продовольственная безопасность государства является одной из основных задач, которая ставится перед сельскохозяйственными производителями в стране. И если еще сто лет назад главной целью было просто накормить народ, то сегодня этот список гораздо шире.


Сегодня человечеству уже мало «просто еды». Современный человек хорошо понимает, что есть «лекарства», которые нельзя купить ни в одной аптеке мира. Это – ЗОЖ, т. е. здоровый образ жизни, в структуре которого продукты питания занимают лидирующее положение.


Поэтому перед сельхозпроизводителями в сфере обеспечения продовольственной безопасности стоит достаточно много задач:


·         получить высокий урожай;

·         с высокими пищевыми свойствами;

·         с хорошими вкусовыми качествами;

·         выращенные в условиях с минимальным применением пестицидов и химикатов.


Можно это сделать? Можно. И многое делается. Но мы сегодня хотели бы обратить внимание на то, что в современных условиях в руках агрономов есть не только стандартная селекция, которая может занимать годы до получения, например, вкусной пшеницы с увеличенным количеством белка и способной давать высокий урожай не только на богатом черноземе, но и на других менее плодородных почвах. Для производителей сельхозпродукции есть биотехнология!


И ниже мы рассмотрим примеры использования биотехнологии в решении тех задач, которые озвучили.

 

Соя в помощь


Нехватка белка в рационе россиян составляет порядка 30 %. Для решения данной проблемы можно употреблять зернобобовые, в частности сою. Традиционные зерновые культуры (кукуруза, овес, ячмень) и пшеница, которые используются и в питании человека, и в качестве кормов для животных, значительно уступают сое по содержанию белка и характеризуется дефицитом незаменимой аминокислоты лизина.


Среди возделываемых зернобобовых и зерновых культур соя по содержанию белка занимает первое место, а по маслу в разрезе с другими бобовыми культурами уступает только арахису. Сочетание питательных компонентов сои позволяет возделывать данную культуру на различные технологические цели, такие как кормовые, пищевые и технические, а именно в использовании продуктов отхода производства в качестве составляющей для компонентов питательных сред в биотехнологической практике. Соя имеет богатый биохимический состав зерна: содержание белка до 30–55 %, жира – 15–30 %, углеводов – около 20 %, а также витамины, микроэлементы. Соя и продукты ее переработки являются качественным сырьем для получения множества диетических продуктов питания, таких как соевое молоко, творог, сыр, мука и другие. К сожалению, соевый белок мы вынуждены покупать за рубежом, но можем его делать и дома, то есть в условиях нашей страны.


В больших объемах сою используют как компонент при производстве хлеба, кондитерских изделий, колбас, маргарина, детского питания и другой продукции, повышая тем самым содержание белка.


Поэтому необходимо расширение посевных площадей под зернобобовыми культурами – это важное условие решения проблемы производства растительного белка.


К сожалению, сегодня соя выращивается только в малом объеме в отдельных регионах, чаще всего на Дальнем Востоке. И в Российской Федерации потребление чистого соевого продукта мало, так как соя содержит ингибитор ферментов протеаз, ферментов поджелудочной железы. Несмотря на то, что этот продукт подойдет не каждому, он может решить проблему нехватки белков животного происхождения, тем самым стать альтернативой. И у нас есть биотехнология – наука, которая поможет вывести семена с повышенным содержанием белка и адаптировать данную культуру к различным климатическим зонам.

 

Семена с лучшей генетикой


Давайте рассмотрим, как биотехнология может изменить ситуацию с повышением урожайности злаковых культур, а также справиться с полеганием хлебов, которое происходит из-за высокой доли высокорослых сортов пшеницы. Именно биотехнология может помочь найти гены короткостебельности для того, чтобы выводить сорта и партии семян злаковых, уже зная этот определенный ген.


Методы биотехнологии позволят создать семена зернобобовых культур с повышенным содержанием белка, а также поможет селекционерам в выведении новых семян – устойчивых или с меньшей чувствительностью к патогенным ржавчинным грибам для таких важных продовольственных культур в сельском хозяйстве, как пшеница, ячмень, овес.


Биотехнология – это инструмент, который с помощью биотехнологических методов позволит поддерживать семена с наилучшими показателями посевных качеств, таких как энергия прорастания, всхожесть и жизнеспособность. Именно от этих признаков будет зависеть то, как растения будут чувствовать себя при дальнейшем развитии. Получение слабых всходов будет уже означать сокращение урожайности и наоборот. Для того чтобы разобраться, что здесь можно сделать, давайте рассмотрим данные показатели посевных качеств.


Энергия прорастания – это способность к быстрому прорастанию в короткие сроки. Получив семена с повышенной энергией, можно увеличить полевую всхожесть сельскохозяйственных культур. Как правило, существует два понятия всхожести семян – это лабораторная и полевая всхожесть.


Лабораторная всхожесть – это та всхожесть, которая была получена в условиях лаборатории, чтобы понять процент всхожести семян для дальнейшего расчета показателя нормы высева семян. Именно этот показатель говорит о том, сколько семян будет необходимо для посева на один гектар пашни. В агрономии все вещи взаимосвязаны и каждый показатель играет существенную роль в получении урожая культуры. Термин «полевая всхожесть» говорит сам за себя – это всхожесть, которая будет получена после высева семян в поле. Из-за разных почвенно-климатических условий, выбора способа посева полевая всхожесть будет ниже той, что была получена в лаборатории.


Лабораторная всхожесть всегда выше, так как создаются условия, приближенные к наиболее благоприятным, поэтому полевая всхожесть, как правило, на 15–20 % ниже лабораторной, но это можно изменить, прибегнув к методам биотехнологии. Они позволяют повышать урожайность высеянных семян в полевых условиях.


Биотехнологические методы поддерживают семена сортов на уровне суперэлиты и элиты. Что означают данные понятия? Это так называемые категории семян, которые были получены в ходе размножения сорта и обладают повышенными посевными качествами. Элитные семена получают после сбора продукции от суперэлиты. Термины «суперэлита», «элита» относят ко всем злаковым и другим сельскохозяйственным культурам, в то время как у культуры картофеля существует понятие «супер-суперэлита», которая получается в результате размножения миниклубней, полученных биотехнологическим путем от меристем.


Биотехнологические методы позволяют получать супер-суперэлиту клубней картофеля, не подвергающуюся вирусным заболеваниям, которые деформируют растения и не позволяют им полноценно развиваться, что сказывается на потери урожайности до 30 %. Решением по обновлению посадочного материала может стать массовое производство клубней супер-суперэлитного картофеля при помощи постановки методов создания безвирусного материала картофеля в промышленном масштабе – с учетом особенностей развития и выделения меристем картофеля. Это обеспечит сельскохозяйственных производителей качественным посадочным материалом, который в течение 3 лет будет давать высокие урожая важного продукта в питании населения.


Хлеб, меняющий качество жизни


Биотехнология играет значительную роль в создании новых сортов злаковых культур – в первую очередь яровой мягкой пшеницы, той самой культуры, из которой получают муку для хлебопекарного производства. Именно сорта мягкой яровой пшеницы кормят нас такими продуктами питания, как хлеб, булочки, пряники и другие кондитерские изделия. А есть твердая пшеница, и отличается она от своей коллеги мягкой пшеницы повышенным содержанием уровня глютена – белка, входящего в состав клейковины. Из сортов твердой пшеницы производят макаронные изделия, такие крупы как булгур, кускус, твердые марки манной крупы. И многие люди, не зная этого, отказываются от употребления хлебобулочных изделий, в которых содержание глютена меньше, чем в продуктах из сортов твердой пшеницы, но именно продукты мягкой яровой пшеницы кормят целое население планеты. Ведь правильно говорят: «Хлеб – всему голова!»


В Институте цитологии и генетики СО РАН г. Новосибирска в лаборатории геномной селекции растений под руководством доктора биологических наук, профессора Салиной Елены Артемовны разрабатываются методы геномного редактирования генов важнейшей продовольственной культуры яровой мягкой пшеницы. Речь о том, чтобы внести изменения в определенный ген, который отвечает за тот или иной хозяйственно-ценный признак. Данные манипуляции с геном позволяют повысить урожайность растений, качество получаемой сельскохозяйственной продукции, а именно полезные свойства, увеличить содержание белка, количество и свойства клейковины, определяющие качество выпекаемого хлеба. Также биотехнология создает линии культур для функционального питания и повышения качества жизни: ярким примером может стать фиолетовая пшеница с повышенным содержанием антоцианов – веществ, которые замедляют процессы старения на клеточном уровне.


Полезные жители почвы


Выше мы рассмотрели только одну сторону биотехнологии, а именно сектор растениеводства в решении проблем продовольственной безопасности страны. Теперь хотелось бы затронуть важную тему экологии в сельском хозяйстве, а именно биотехнологические продукты для защиты растений.


Для того, чтобы снизить пестицидную нагрузку на окружающую среду на фоне развития болезней и вредителей из-за частого возникновения привыкания к химическим средствам защиты, при сложившейся обстановке нельзя обойтись без новых методов защиты растений от вредных объектов. Так, химия, используемая при обработке полей, наносит значимый вред биологическому разнообразию почвенной микрофлоры, и для ее восстановления необходимо использовать так называемые почвенные пробиотики, которые смогут вернуть почвенное плодородие. Речь идет о культивировании при помощи биотехнологии полезных почвенных жителей, а именно почвенных микроорганизмов, представляющих собой крупнейший в мире резервуар биологического разнообразия. Они имеют важное значение для развития новых физико-географических зон, позволяющих повышать почвенное плодородие малопригодных почв для выращивания продуктов питания.


Внесение в почву разнообразного микробного состава значительно увеличивает скорость круговорота углерода, накопление органического вещества почвы в виде гумуса и увеличение содержания азота, что напрямую повышает качество почвы. Микроорганизмы оказывают глубокое влияние на все стороны состояния почвы.


Полезные жители осуществляют чрезвычайно важные процессы, которые не могут быть выполнены другими способами. Биологическая фиксация азота осуществляется либо симбиотическими организмами, которые живут совместно с корнями растений, либо свободноживущими микроорганизмами. Обусловлено это ферментом нитрогеназой, который является важным для микробиологической активности почв. Другими словами, при внесении в почву полезные микробы заставляют активировать и пробуждать других полезных жителей почвы. Именно почвенные микроорганизмы способны фиксировать азот (что стимулирует рост и развитие растений), выступая в роли регуляторов роста. К таким микроорганизмам относят бактерии рода Rhizobium, азотобактеры, азоспириллы и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), они играют значительную роль в сельском хозяйстве как азотфиксирующие микроорганизмы. Rhizobium – это почвенные микроорганизмы, которые могут жить на растительных остатках или полностью внутри растений.


Заводы по производству средств для микробиологической активности почв есть в Москве (компания «ЭМ-Кооперация», производящая препарат «Байкал»), Новосибирске (Центр природного земледелия «Сияние», который производит известные препараты для садоводов одноименной серии). Такие биологические препараты позволяют в значительной степени ускорить разложение растительных остатков в почве, тем самым увеличить содержание органического вещества. Данные решения – это заслуга биотехнологического производства. Иными словами, при помощи биотехнологии можно создать препараты, содержащие микс различного рода полезных микроорганизмов, которые будут повышать содержание доступных форм элементов питания для растений.


В агрохимии есть понятие – доступные и недоступные формы элементов в почве. Агроном, делая почвенный анализ, видит, что в почве содержится высокое содержание важных элементов, таких как азот, фосфор и калий. И если азот – это элемент, который для растений всегда будет в легкодоступном состоянии, то фосфор и калий – нет, если он содержится в труднодоступном состоянии. И тогда на помощь приходят микроорганизмы, способные перевести вещества из недоступных в доступные – это можно сделать с помощью подбора штаммов биотехнологическими путями.


Подведем небольшой итог. Самыми безопасными средствами защиты растений, которые не носят вред природе и почве, являются биологические средства, созданные при помощи биотехнологических методов. Суть их в том, что выбирается микроорганизм, который будет являться вредным по отношению к насекомым вредителям, болезням и при помощи инструментов генной инженерии в микроорганизм встраивают необходимый ген, который позволяет данному микробу вырабатывать вещества, негативно сказывающиеся на вредных объектах в сельском хозяйстве.


Биозащита от насекомых


Давайте посмотрим, какие биологические средства защиты есть в настоящее время. Начнем с инсектицидов, то есть препаратов против насекомых. Существуют препараты Битоксибациллин и Лепидоцид, представляющие собой разные вариации микроорганизма Bacillus thuringiensis, который вырабатывает эндотоксин, вызывающий гибель чешуекрылых насекомых. Данный токсин абсолютно безопасен для человека, он убивает только чешуекрылых. Выпускает данную продукцию компания «СИББИОФАРМ», производство которой базируется в г. Бердске.


Всем нам знакома ситуация – купив новое растение в магазине, через некоторое время мы можем обнаружить, что листья начинают желтеть и опадать, а присмотревшись, мы видим паутину. Это «проделки» паутинного клеща, который наносит вред культурам закрытого грунта, то есть произрастающим в теплицах, помещениях и других закрытых объектах. В этом случае на помощь спешат авермектины – биологические инсектоакарициды, препараты, которые действует на чешуекрылых насекомых, клопов, клещей и других вредителей. Это разработка нового поколения против паутинного клеща, действующее вещество выделено из актиномицетов почвенных микроорганизмов.


Авермектины высокотоксичны для гусениц бабочек. Отмечено, что в отношении них они обладают и овицидным действием, то есть действуют и на их яйца. Авермектины также эффективны против колорадского жука, тлей, трипсов и других вредителей открытого и защищенного грунта, так как они не обладают системным действием, то есть не проникают внутрь тканей растений. Срок ожидания составляет 2–3 суток. Авермектины являются нестойкими соединениями: период полураспада длится 12–24 ч. Авермектины нетоксичны для полезных почвенных организмов.


В России сейчас зарегистрированы препараты на основе трех действующих веществ: 1) абамектин – препарат Вертимек; 2) аверсектин C – препараты Фитоверм и Фитоверм-М; 3) авертин N – препараты Акарин и Агравертин. Все перечисленные препараты выпускаются в форме концентрата эмульсии, то есть в жидком или пастообразном состоянии. Для борьбы с галловыми нематодами в защищенном грунте разработана порошковидная препаративная форма Фитоверма.


Бактерии против болезней


Далее разберемся, какие биофунгициды существуют против болезней растений. Триходермин и Триходерма вериде – это культуральная жидкость, содержащая споры, мицелий и продукты метаболизма гриба-антагониста Trichoderma lignorum и Trichoderma viride. Применяется для защиты растений от широкого спектра грибных и бактериальных заболеваний. Триходермин эффективен на овощных, зерновых колосовых, кукурузе, подсолнечнике, цветочно-декоративных, семечковых, косточковых, хвойных культурах – как в сухом, так и в жидком виде.


Есть препараты от болезней, действующим началом которых являются бактерии. В настоящее время такие препараты используются против многих болезней растений, таких как фитофтороз томатов, картофеля и других пасленовых культур, парша клубней картофеля и других заболеваний, наносящих вред культурам овощеводческой продукции. В основном производятся на основе родов Pseudomonas и Bacillus.


Если говорить о бактериях рода Pseudomonas, наиболее распространены сапротрофные псевдомонады, заселяющие ризосферу как естественные регуляторы фитопатогенных микроорганизмов. К ним относятся широко используемые в защите растений P. fluorescens (препараты Планриз, Бинорам) и P. aureofaciens (препараты Агат-25К, Псевдобактерин-2). Бактерии хорошо усваивают различные органические субстраты, характеризуются быстрым ростом, продуцируют антибиотики, а также стимуляторы роста, т. е. оказывают не только прямое защитное действие от фитопатогенов, но и непосредственно стимулируют рост растений. Кроме того, штаммы, используемые как агенты биологической защиты, должны успешно конкурировать с другими микроорганизмами и выживать в течение длительного периода. Это в значительной мере обеспечивается способностью к синтезу разнообразных антибиотиков.


Бактерии рода Bacillus. Из аэробных спорообразующих бактерий наибольшее значение как биологический агент подавления численности фитопатогенов имеет B. subtilis (препараты Бактофит, Фитоспорин-М). Эта бактерия известна также под названием сенной палочки. Она распространена в почве, воде, воздухе и является наиболее продуктивным представителем рода Bacillus по синтезу антибиотиков. Кроме того, биопрепарат обладает ростостимулирующими свойствами.


Есть препараты на основе дрожжей, которые могут влиять на рост и развитие сельскохозяйственных растений, оказывая положительное воздействие на биологические свойства и качества будущей продукции. От применения биологических средств защиты снижается пестицидная нагрузка на окружающую среду.


Владимир Панченко, лаборант-исследователь Курчатовского геномного центра Института цитологии и генетики, магистрант НГАУ



Все материалы рубрики «Сельское хозяйство»



05.03.2023

Читайте также

Предложить
новость
Если вы стали свидетелем или
участником интересных событий
Предложить
Подписка на
рассылку новостей
Каждую неделю только самые
важные и интересные новости
Подписаться
Подписка
на журнал
Оформите подписку на
новые выпуски журналов
Оформить
Новостная рассылка
Каждую неделю только самые важные и интересные новости