Тепличные хозяйства по всему миру ведут непрерывную и изнурительную войну с одним из самых беспощадных почвенных патогенов — грибом Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici. Этот невидимый убийца проникает в сосудистую систему томатов через корни, полностью блокирует сокодвижение и заставляет еще вчера здоровые кусты увядать прямо на глазах. Фунгициды плохо справляются с засевшим в глубоких слоях почвы мицелием, а их постоянное применение уничтожает полезную микробиоту. В поисках экологичного и пролонгированного решения исследователи из Колумбии обращают внимание на потенциал актинобактерий рода Streptomyces. Эти микроорганизмы являются одновременно и эффективным оружием против фузариоза, и мощным биостимулятором роста для томатов.
Томат занимает ведущее место среди овощных культур в мире, составляя примерно 16% от общего мирового производства овощей, при этом в 2023 году было собрано 192,3 миллиона тонн с 5,41 миллиона гектаров, согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAOSTAT).
В Колумбии сорт Чонто является важной сельскохозяйственной культурой с производством в 1 млн тонн ежегодна на площади более 16 000 гектарах. Это основной сорт в стране для потребления в свежем виде. Помимо высокого содержания клетчатки (11,44 г/100 г), антиоксидантов (54,74 мг/100 г), микроэлементов (35,18 мг/100 г) и витаминов (67,79 мг/100 г), в народной медицине томаты используются для лечения диареи и гипертонии.
Выращивание томатов обеспечивает фермерам доход, занятость и продовольственную безопасность. Однако грибные патогены серьезно ограничивают продуктивность, особенно Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, который может вызывать потерю урожая до 100%. После проникновения в корни фузариум колонизирует сосуды ксилемы, где пролиферация мицелия и ферментативная деградация препятствуют транспорту воды, вызывая увядание, хлороз, замедление роста и гибель растений.
Традиционный контроль в основном основан на фунгицидах, включая беномил, карбендазим, прохлораз, флудиоксонил, бромуконазол и азоксистробин. Но их воздействие на окружающую среду и появление устойчивых штаммов усилили интерес к биологическим альтернативам.
Многочисленные роды бактерий проявляют защитную активность. В настоящее время в Европейском Союзе зарегистрировано 13 биопестицидов на основе бактерий. Большинство из них получены из Bacillus spp. и Pseudomonas spp.. Помимо своей роли в подавлении болезней, некоторые из родов ризобактерий также признаны стимуляторами роста и уже применяются в качестве биоудобрений. Для этой цели были описаны такие роды, как Bacillus, Brevibacillus, Pseudomonas, Agrobacterium, Burkholderia, Streptomyces и Thiobacillus.
Среди них род актиномицетов Streptomyces приобрел известность благодаря своей метаболической универсальности и двойной функциональности.
Например, в Колумбии в настоящее время для сельскохозяйственного использования доступно биоудобрение, созданное на основе Streptomyces spp.. Виды этого рода обитают в различных средах, включая ризосферу растений, водоемы, лесную подстилку, речные отложения, компост и даже экстремальные местообитания. Они синтезируют антимикробные метаболиты, включая касугамицин, стрептомицин и другие, а также гидролитические ферменты, такие как целлюлазы, хитиназы, липазы и β-1,3-глюканазы. Обладают способность растворять питательные вещества в почве и делать их более доступными для растений.
Учитывая широкий спектр полезных для растений свойств, описанных для этого рода, коллективом ученых из Колумбии было выдвинуто предположение, что штаммы Streptomyces 445 и 1B260, выделенные из рек Араука и Гуавиаре и депонированные в Коллекции микроорганизмов Университета Ла-Сабана (USAB-BIO, RNC 243, Чиа, Колумбия), могут действовать как многофункциональные микробные агенты, сочетая противогрибную активность против фузариума с эффектом стимуляции роста растений у рассады томата сорта Чонто. Был поставлен эксперимент в условиях теплицы.
В лаборатории ученые протестировали in vitro (в пробирках) семьдесят различных штаммов актинобактерий против агрессивного фузариума. Лишь восемь из них смогли продемонстрировать реальную антагонистическую активность. Ученые провели глубокий скрининг этих финалистов, оценивая их ферментативный профиль, безопасность для человека и способность стимулировать развитие растений. В финале были отобраны два супер-штамма 1B260 и 445.
Штамм 1B260 показал себя как выдающийся химический завод. В лабораторных тестах он заблокировал рост мицелия гриба-убийцы на рекордные 43,5%. Кроме того, он отлично работал в качестве биоудобрения: этот штамм продемонстрировал феноменальную способность растворять труднодоступные почвенные фосфаты, переводя в легкую для корней форму колоссальные 420 микрограммов элемента на миллилитр.
Оба штамма, и 1B260, и 445, оказались вооружены протеолитическими и целлюлолитическими ферментами, способными растворять защитные оболочки клеток патогенного гриба. При этом тесты на линиях клеток кожи человека (HaCaT и HDFa) подтвердили их абсолютную нетоксичность и безопасность для фермеров. Более того, бактерии продемонстрировали способность связывать атмосферный азот и активно вырабатывать аммиак, насыщая прикорневую зону бесплатным азотным питанием.
Когда ученые перенесли испытания в грунт, штаммы проявили разделение обязанностей и взаимодополняющий эффект. В чистой, незараженной почве штамм 1B260 сработал как мощный биостимулятор — под его воздействием кусты томатов продемонстрировали стремительное удлинение стебля, мощный старт вегетативной массы и быстрое развитие. На зараженной почве хорошо показал себя штамм 445. В то время как контрольные томаты без поддержки бактерий быстро чахли и погибали, кусты, обработанные штаммом 445, не просто выжили, а подавили полностью развитие болезни внутри своей корневой системы. Так, комбинируя штаммы 1B260 и 445, ученые получили биофунгицид и биоудобрение в одном препарате.