Невидимые фермеры и агрономы
Как почвенные бактерии меняют будущее сельского хозяйства

Каждый год наша планета теряет 24 млрд тонн плодородной почвы, что в три раза превышает скорость ее восстановления. На создание минеральных удобрений в мире затрачивается 2 % всей потребляемой энергии, при этом в атмосферу выбрасывается столько углекислого газа, сколько производит такая промышленно развитая страна, как Германия. При этом растения усваивают лишь треть азота из внесенного удобрения, а остальное попадает в водоемы и грунтовые воды, загрязняя их.

Решение этих глобальных проблем может лежать буквально у нас под ногами – ​в почве. Ведь она представляет собой не просто смесь минералов и органики, а сложнейшую живую экосистему, превосходящую по биоразнообразию даже тропические леса.

В каждом кубическом сантиметре здоровой почвы обитает от 100 млн до 1 млрд бактерий – ​больше, чем звезд в нашей галактике. И каждый из 50 тыс. видов микроорганизмов, жителей этого подземного «мегаполиса», выполняет свою уникальную функцию.

Эти микроскопические существа создали первую и самую совершенную на планете систему земледелия, и наука только начинает постигать секреты этих природных фермеров и агрономов. Примером такого подхода служит масштабный научный проект, реализуемый в новосибирском Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН при участии сотен школьников из 85 регионов России.

Исследования, начавшиеся в рамках проекта «Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов как основа для поиска новых противомикробных продуцентов и ферментов с уникальными свой­ствами», сейчас продолжаются в рамках проекта «Гражданская наука и генетические технологии для сельского хозяйства» при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.

На почвенной «фабрике»

Почву можно сравнить с фабрикой, работающей круглосуточно и без выходных. В ее «цехах» трудятся разные специалисты. Бактерии-«химики» рода Rhizobium превращают недоступный растениям газообразный азот в аммоний (NH₄⁺), затрачивая на это столько же энергии, сколько требуется при промышленном производстве. Для фиксации 1 г азота они «сжигают» до 25 г сахара!

Рядом работают «горняки» – ​фосфатмобилизирующие бактерии, такие как представители родов Bacillus и Pseudomonas, способные переводить нерастворимые фосфаты в формы, доступные для растений. Эти бактерии выделяют органические кислоты, растворяющие даже самые стойкие минералы. Некоторые из них производят до 600 мкг/мл растворимого фосфора – ​такая эффективность сопоставима с промышленными растворителями.

Особую службу несут бактерии-«фармацевты», которые производят целый арсенал биологически активных веществ: ауксины для стимуляции роста корней, цитокинины, активирующие клеточное деление, гибберелины, способствующие растяжению стеблей и росту растений. Почвенные концентрации этих природных гормонов, синтезируемых бактериями, иногда не уступают тем, что содержатся в самих растениях.

Не нужно забывать и о микробах-«металлургах», выделяющих в почву сидерофоры – ​высокотехнологичные молекулярные захваты для связывания малорастворимого и недоступного растениям трехвалентного железа (Fe³⁺), необходимого для процессов фотосинтеза и дыхания. Эти «клешни» держат железо в миллион раз крепче самых современных синтетических хелатных соединений.

Завершают картину бактерии-«охранники» – ​продуценты антибиотиков широкого спектра действия. Представители тех же Bacillus и Pseudomonas способны синтезировать более 300 различных противомикробных соединений, создавая вокруг корней «щит» от патогенов.

Полезные почвенные бактерии чаще всего остаются привязанными к своему дому – ​ризосфере. Эта узкая, шириной всего несколько миллиметров, зона вокруг корней растений представляет собой настоящий «Манхэттен» микробного мира – ​плотность населения здесь на два порядка выше, чем в окружающей почве.

При этом сами растения – ​вовсе не пассивные участники этих отношений. Через корневые выделения они привлекают нужных им микробов, выплачивая им «зарплату» в виде органических веществ (сахаров, органических кислот, аминокислот). Растения тратят до 40 % всех продуктов фотосинтеза на обеспечение своей микробной «команды поддержки».

Благодаря применению современной флуоресцентной микроскопии удалось выяснить, что ризосфера представляет собой не хаотичное скопление микробов, а высокоорганизованную структуру с «транспортными магистралями», «промышленными кластерами» и даже «жилыми кварталами», где разные виды бактерий образуют устойчивые микроколонии.

Защитник при стрессе

В коллекции бактерий, собранной благодаря усилиям гражданских ученых, особый интерес вызывают энтеробактерии (род Enterobacter), хотя виды из этой группы традиционно считаются скорее медицинскими, чем сельскохозяйственными объектами.

Настоящей «звездой» стал штамм E. soli AF‑22b‑4245, обнаруженный в Брянской области. В лабораторных условиях он активно рос в безазотной среде, эффективно растворял фосфаты и производил сидерофоры.

Но самое удивительное – ​в лабораторных тестах штамм сохранял активность даже при добавлении в питательную среду достаточно большого (до 5 %) количества поваренной соли, а также при моделировании недостатка влаги путем добавления полиэтиленгликоля, удерживающего воду. Эти результаты указывали на высокий потенциал штамма при использовании в засушливых регионах с засоленными почвами, что и было подтверждено в натурных экспериментах.

Как выяснилось, наилучший эффект дает обработка растений бактериями с одновременным внесением минеральных удобрений. В обычных условиях такая комбинация увеличивала высоту растений пшеницы на 66 %, а сухую надземную биомассу – ​более чем в два раза по сравнению с контролем. Впечатляющими оказались и результаты комбинированной обработки в стрессовых условиях, негативно влияющих на рост пшеницы. При засолении почвы и при засухе она значительно (на 35–40 %) повышала высоту растений и более чем в два раза – ​массу надземной части.

«БОЛЬШАЯ ОХОТА» ЗА НЕВИДИМКАМИ Проект создания атласа почвенных микроорганизмов начался с простой идеи: привлечь школьников к сбору образцов почвы для научных исследований. Но за четыре года работы он превратился в крупнейшую в России программу так называемой гражданской науки (citizen science) в области микробиологии, охватившую территорию от Калининграда до Владивостока.
Более 500 школьников и учителей из 85 российских регионов собрали свыше 2 тыс. образцов из самых разных экосистем. Метод сбора напоминал геологическую разведку: в каждой точке отбирались пять проб методом «конверта» на расстоянии 3–5 м друг от друга. Такой подход обеспечил репрезентативность выборки и позволил охватить огромные территории с минимальными затратами.
«Урожай» оказался поистине богатым: за три последних года из собранных образцов удалось выделить сотни штаммов бактерий, обладающих самыми разными полезными для растений свой­ствами

Важно, что в засушливых условиях в растениях, обработанных бактериями, менялось соотношение разных видов пигментов, отвечающих за преобразование световой энергии в химическую. В листьях таких растений увеличилось содержание хлорофилла В – ​помощника основного хлорофилла А, напрямую участвующего в процессе фотосинтеза. Также у них вдвое повысился уровень аминокислоты пролина, которую растения накапливают для защиты от обезвоживания.

Таким образом, штамм AF‑22b‑4245 не только стимулирует рост растений в благоприятных условиях, но и помогает им адаптироваться к неблагоприятным факторам среды, усиливая их собственные защитные механизмы.

Чтобы понять принцип этого действия, была проанализировала активность ключевых генов пшеницы, участвующих в ответе на стресс. В этот список вошли гены, кодирующие белки-­рецепторы стрессовых сигналов, сигнальные белки, факторы транскрипции, регуляторы биосинтеза защитных метаболитов, а также ферменты антиоксидантной защиты.

Результаты оказались неожиданными. В обычных условиях добавление бактерий активировало антистрессовую защиту растений – ​бактерии словно «предупреждали» растение о возможных неприятностях, помогая ему заранее подкорректировать обмен веществ. Но при реальном стрессе (засолении или засухе) картина менялась на противоположную: присутствие бактерий, напротив, снижало активность всех стрессовых генов. Растения выглядели так, будто условия среды были в норме.

Возможно, что предварительная «подготовка» оказалась настолько эффективной, что растение уже не воспринимало неблагоприятные условия как критическую угрозу. Другое объяснение – ​сама бактерия способна менять свои химические сигналы в зависимости от внешних условий.

Извилист путь от генотипа к фенотипу

Еще одна перспективная группа рода Enterobacter – ​представители вида E. ludwigii. Из собранной коллекции были отобраны четыре наиболее активных штамма этого вида, которые демонстрировали в лабораторных тестах «профессиональную специализацию»: штамм GMG_291 эффективно мобилизовал фосфор; штаммы GM_G336 и GMG_378 синтезировали ауксин – ​гормон, стимулирующий рост и ветвление корневой системы, а штамм GMG_278 специализировался на производстве гормона гибберелина, ускоряющего прорастание семян и растяжение стеблей, а также салициловой кислоты – ​сигнальной молекулы, запускающей защитные механизмы растения против патогенов и абиотических стрессов.

Такой «разброс» функциональных свой­ств внутри одного вида потребовал углубленного генетического анализа. Логичным объяснением казалось, что все эти штаммы различаются набором генов, отвечающих за взаимодействие с растениями.

Для проверки гипотезы было проведено полногеномное секвенирование всех четырех штаммов. Каждый геном размером около 4,5–4,7 тыс. генов должен был содержать подробную «инструкцию» – ​весь набор генов, отвечающих за известные метаболические пути синтеза фитогормонов, мобилизации фосфора и фиксации азота в конкретных условиях. Однако в реальности все оказалось намного сложнее.

Самым интригующим открытием стали парадоксы соотношения «генотип – ​фенотип», т. е. взаимоотношения между наследственностью и ее конкретным воплощением. Так, хотя штамм GMG_291 и содержал полный генетический набор, необходимый для производства ауксинов, в реальности он синтезировал их в минимальных количествах. Все четыре штамма демонстрировали способность разрушать молекулярный предшественник этилена – ​газообразного «стрессового гормона» растений, который вырабатывается у них в ответ на повреждения и другие неблагоприятные воздействия. Однако классический ген acdS, отвечающий за эту функцию, не был обнаружен ни в одном бактериальном геноме!

Все найденные несоответствия указывают на сложность регуляции генной активности у почвенных микроорганизмов. Наличие гена еще не гарантирует его работу –для активации могут потребоваться специфические сигналы от растений, определенные условия среды или взаимодействие с другими микроорганизмами. Возможно, существуют пока неизвестные, альтернативные ферментативные пути или взаимодействия между разными генами, которые и приводят к неожиданным внешним проявлениям.

К примеру, штамм GMG_278 на первый взгляд выделялся лишь своей способностью производить рекордные количества гибберелинов и салициловой кислоты. В других лабораторных тестах он показывал скромные результаты: продукция ауксинов у него была средней, а способность к мобилизации фосфора – ​не выдающейся. Однако когда дело дошло до реальных экспериментов с пшеницей, добавление именно этого штамма в почву обеспечило максимальный прирост биомассы.

И в этот раз самые впечатляющие результаты дало комбинированное применение бактерий и минеральных удобрений. Так, масса надземной части растений увеличилась на 261 %, а их высота – ​на 87 %. И это не простое сложение эффектов, а настоящая синергия: бактерии и минеральные удобрения усиливают действие друг друга, работая, по-видимому, через разные физиологические механизмы. Удобрения обеспечивают растение элементами питания напрямую, а бактерии помогают мобилизовать ресурсы почвы, синтезируют гормоны роста и активируют защитные системы самого растения.

Экологичность против универсальности

Интуитивно нам кажется, что в мире микробов должны существовать свои «супергерои» – ​«супербактерии», обладающие всеми полезными для растений свой­ствами. Но природа выбрала иную стратегию.

Математический анализ с использованием метода главных компонент убедительно показал: выделенные полезные почвенные бактерии естественным образом разделяются на функциональные «гильдии». В первую – ​гильдию питания – ​входят бактерии, специализирующиеся на азотфиксации, фосфатмобилизации и синтезе фитогормонов. Вторая – ​гильдия защиты – ​объединяет продуцентов сидерофоров и антимикробных веществ.

Причин такого разделения несколько. Во-первых, энергетика: фиксация атмосферного азота сопряжена с колоссальными затратами энергии (16 молекул АТФ на каждую молекулу N₂). Так что одновременная реализация всех метаболических специальностей потребовала бы огромных энергетических ресурсов, что сделало бы организм неконкурентоспособным.

Во-вторых, некоторые процессы физиологически несовместимы. Активная выработка антибиотиков бактериями может подавлять их собственный рост, что мешает эффективной колонизации корней растений. А синтез сидерофоров конкурирует с производством ауксинов, так как у этих веществ есть общий предшественник – ​ароматические аминокислоты.

Математическое моделирование микробных взаимодействий, выполненное разными исследовательскими группами, свидетельствует, что кооперация специализированных организмов более эффективна, чем конкуренция универсальных (Kong, Lu, 2018). Азотфиксаторы и фосфатмобилизаторы взаимно обеспечивают друг друга своей продукцией, а производители сидерофоров снабжают железом все микробное сообщество, получая взамен защиту от продуцентов антибиотиков (Barea, Pozo, Azcon et al., 2005). Такие взаимовыгодные «контракты» служат основой устойчивых консорциумов, превосходящих по эффективности любой отдельно взятый бактериальный штамм.

Эту теорию подтверждают и результаты метагеномного анализа природных почвенных сообществ, полученные в ряде зарубежных лабораторий: наиболее продуктивные ризосферные микробиомы характеризуются не максимальным разнообразием, а оптимальным соотношением функциональных групп: примерно 40 % «производителей питания», 30 % «защитников» и 30 % «вспомогательного персонала» (Ofek-­Lalzar, Sela, Goldman-­Voronov et al., 2014; Breidenbach, Pump, Dumont et al., 2016). Это фундаментальное открытие полностью изменило стратегию создания биопрепаратов: вместо поиска «суперштаммов» ученые сосредоточились на конструировании синтетических микробных консорциумов.

От теории – ​к полевым испытаниям

После изучения отдельных штаммов почвенных бактерий перед новосибирскими учеными встала задача объединить лучших «специалистов» в функциональную команду. Для создания синтетического микробного консорциума нужно было не только учесть свой­ства всех участников, но и предсказать их совместное поведение в сложных природных условиях.

Для полевых испытаний был составлен пятикомпонентный консорциум из представителей различных функциональных групп бактерий из разных семейств. Штамм Rahnella aquatilis GMG_294 должен был взять на себя функции фосфатмобилизации, R. endophytica GMG_009 – ​азотфиксации. В консорциум также вошли «специалист» по биологической защите Stenotrophomonas indicatrix GMG_165.2, производитель сидерофоров Burkholderia contaminans GMG_664, а также бактериальный штамм Lelliottia amnigena GMG_355, продуцирующий фитогормоны.

Выбор именно этих штаммов основывался на результатах предварительных лабораторных экспериментов, где различные комбинации микробов показали разную эффективность. Стало очевидно, что не существует универсального алгоритма для создания консорциумов – ​каждая комбинация требует индивидуального тестирования.

Переход от условий теплицы к открытому грунту должен был стать критическим испытанием для нового консорциума. Полевые эксперименты проводились на двух типах почв, черноземе и серой лесной, и с тремя основными культурами: пшеницей, гречихой и рапсом. Микробный консорциум в виде раствора вносился однократно при посеве.

Для отслеживания судьбы внесенных микроорганизмов пробы почвы отбирались через три недели после посадки и во время сбора урожая. Изменения в структуре почвенных микробных сообществ оценивали методом метагеномного анализа, нацеленного на изменчивые участки молекулы бактериальной РНК (16S рРНК), составляющей основу бактериальных рибосом – ​клеточных фабрик белка.

Анализ биоразнообразия микробных сообществ почвы выявил интересные закономерности. Оказалось, что их видовое богатство оставалось достаточно стабильным, что говорит об отсутствии негативного воздействия «чужаков» на местную микрофлору.

Однако в результате внесения консорциума формировались специфические микробные сообщества, отличавшиеся по составу от контрольных. Особенно ярко это проявилось на участках с посевами гречихи, где к сентябрю увеличилась доля представителей клубеньковых бактерий (порядок Rhizobiales), фиксирующих атмосферный азот, которая была наибольшей в случае сочетанного применения бактерий и минеральных удобрений.

Функциональный анализ генетических данных с использованием базы данных FAPROTAX показал, что при внесении консорциума доля азотфиксирующих бактерий возрастала с 7–9 до 12–14 %. Усиливалась и активность фосфатмобилизирующих микроорганизмов, в первую очередь в прикорневой зоне.

Что касается генеральной оценки – ​урожайности, то прибавка составила 15–25 % в зависимости от культуры и типа почвы. Наиболее отзывчивой оказалась гречиха, у которой повысилась не только урожайность, но и качество зерна.

Бег с препятствиями

Результаты полевых испытаний микробных консорциумов пока, конечно, далеки от сенсационных и скорее демонстрируют принципиальную возможность их применения в реальных условиях. Хотя экономический анализ показал приемлемую рентабельность этой технологии, особенно для менее плодородных почв.

Что дальше? К сожалению, путь от лабораторного открытия до широкого практического применения в биотехнологии напоминает полосу препятствий, где преодоление каждого барьера требует изобретательности и упорства. Микробные биотехнологии не исключение: их внедрение сталкивается с целым комплексом научно-­технических, регуляторных и экономических вызовов.

Главная научная головоломка – ​это непредсказуемость поведения микроорганизмов «в поле». В отличие от химических удобрений, действие которых основано на простых физических процессах, микробные препараты вступают в сложные биологические взаимодействия, результат которых может зависеть от сотен факторов.

Численность почвенных микроорганизмов, которая может различаться на порядки в пределах нескольких метров, температура и кислотность почвы, содержание в ней органического вещества – ​каждый из этих параметров влияет на эффективность биопрепаратов. Так что создать универсальную «инструкцию по применению» практически невозможно.

Для России с ее суровым климатом особенно болезненны температурные ограничения: большинство полезных бактериальных штаммов активны лишь при температуре 10–35 °C. Это накладывает сезонные рамки и, более того, исключает из сферы их применения огромные территории.

Еще одна болевая точка – ​совместимость с химическими средствами защиты растений. Многие фунгициды, инсектициды и гербициды обладают широким антимикробным спектром, уничтожая не только вредителей, но и полезную микрофлору. Разработка схем интегрированного применения разных групп препаратов требует тщательной координации их действия, что в конечном итоге может снижать их эффективность.

Дополнительные препятствия создают регуляторные барьеры. Регистрация биопрепаратов в России занимает 3–5 лет и обходится в 50–100 млн руб­лей. Такие расходы кажутся непропорциональными рискам применения природных микроорганизмов и отпугивают инновационные компании.

Усугубляет ситуацию и отсутствие стандартизированных методов контроля качества. Ведь если для химических препаратов достаточно просто определить рабочую концентрацию действующего вещества, то для биопрепаратов критичны параметры, для оценки которых пока нет общепринятых стандартов: таксономическая принадлежность, жизнеспособность и функциональная активность микроорганизмов.

История, начавшаяся с простой идеи привлечь школьников к сбору почвенных образцов, превратилась в масштабный научный проект, изменивший наше понимание взаимодействия растений и микроорганизмов.

Сотни юных исследователей со всех концов России помогли создать уникальную коллекцию почвенных бактерий, среди которых обнаружились настоящие «звезды» – ​штаммы, способные не только стимулировать рост растений, но и защищать их от засухи, засоления и других стрессов. Некоторые из этих бактерий уже показали впечатляющие результаты в виде повышения урожайности сельскохозяйственных культур, активации собственных защитных систем растений и снижения их потребности в химических удобрениях. Эти открытия доказывают, что решение глобальных проблем деградации почв и продовольственной безопасности может лежать буквально у нас под ногами.

При этом путь от лаборатории к «полю» оказался сложнее, чем ожидалось. Геномный анализ показал, что наличие «правильных» генов еще не гарантирует эффективность штамма – ​важна тонкая настройка их активности в ответ на сигналы растений и условия среды. Но именно это открытие привело к пониманию, что вместо поиска универсальных «супербактерий» нужно заниматься созданием специализированных микробных сообществ, где каждый штамм выполняет свою функцию, подобно тому как происходит в здоровой почве. Такие синтетические консорциумы будут объединять наиболее эффективные и подходящие друг к другу микроорганизмы, что обеспечит синергетический эффект.

Литература

Седых С. Е., Воронина Е. Н., Галямова М. Р. и др. Наука в руках школьника: сибирские «охотники за микробами» // Наука из первых рук. 2021. № 5/6 (90). С. 152–161.

Sokolova E. A., Mishukova O. V., Hlistun I. V. et al. Phenotypic and Genomic Analysis of Enterobacter ludwigii Strains: Insights into Mechanisms Enhancing Plant Growth Both Under Normal Conditions and in Response to Supplementation with Mineral Fertilizers and Exposure to Stress Factors // Plants. 2024. V. 13. P. 3551. 

Sokolova E. A., Mishukova O. V. Hlistun I. V. et al. Enterobacter soli Strain AF-22b-4245: Study of the Genome and the Effect on Wheat Growth // Microbiol. Res. 2025. V. 16. P. 34. 

Sokolova E. A., Mishukova O. V. Hlistun I. V. et al. The Effectiveness of Co-Inoculation by Consortia of Microorganisms Depends on the Type of Plant and the Soil Microbiome // Plants. 2024. V. 13. P. 116. 

Voronina E., Sokolova E., Tromenschleger I. et al. Properties of Potential Plant-Growth-Promoting Bacteria and Their Effect on Wheat Growth Promotion (Triticum aestivum) and Soil Characteristics // Microbiol. Res. 2024. V. 15. P. 20–32. 

Исследование поддержано Федеральной научно-технической программой развития генетических технологий на 2019–2030 годы (Соглашение № 075-15-2025-473)