Технология управлением питания растений

В Институте почвоведения и агрохимии СО РАН уже не первый год ведут разработку технологии СУПР, или системы управления питанием растений. Она позволяет значительно улучшить качество овощей, фруктов, ягод и не только их.

«Агрохимическая наука и физиология растений помогают нам решать сложные проблемы, возникающие в жизни растений, связанные с питанием, их ростом и развитием, — поделилась старший научный сотрудник ИПА СО РАН кандидат биологических наук Наталья Валентиновна Смирнова. — Когда мы переносим растение из открытого грунта в контролируемые условия, то сами создаем климат, субстрат, питательный раствор и следим за процессом фотосинтеза и всеми физиологическими и биохимическими процессами. Таким образом складывается некая комплексная система ведения растения, которую мы назвали сокращённо СУПР, или система управления питанием растений».

Растение в природе реагирует на любое изменение окружающей среды. Из-за перемен климата, недостатка или переизбытка влаги, недоступности элементов питания в почве часть растений может погибнуть, а продукт станет не таким вкусным. К сожалению, растение не может убежать от негативных факторов, поэтому в процессе эволюции оно научилось приспосабливаться и регулировать внутреннее состояние в стрессовых ситуациях. Соответственно, чем лучше мы поймем механизмы, которыми владеет растение, тем проще будет научиться управлять качеством урожая.

В искусственных условиях все параметры можно отслеживать и корректировать. С помощью СУПР можно следить за питанием, которое растение получает от источника света и через корневую систему. Так, специалисты контролируют не только морфогенез (рост и развитие растений), но еще и накопление и синтез минеральных и органических веществ. С помощью комплексного анализа растений и изучения их потребностей биологи разрабатывают питательные смеси. Когда растение поглощает вещества, можно узнать, в каком составе и количестве они накапливаются внутри него.

Основные процессы, связанные с ростом и развитием растений, прослеживаются и в открытом грунте. Однако сделать это гораздо сложнее, поскольку природные условия — многофакторная система. Параллельно меняются температура, влажность, порывы ветра, фотопериод и времена года, которые невозможно контролировать. Для изучения растений приходится круглосуточно вести фитомониторинг, проводить агрохимическое обследование почв, а также вегетационные, полевые и лизиметрические эксперименты, копать почвенные разрезы и отмывать корни от почвы, чтобы проследить их рост. Поэтому в чистом виде можно изучить процессы, которые происходят внутри растений, только в контролируемых условиях в водной культуре — на гидропонике.

Объектом исследования при этом способна быть любая культура. Есть много полезных видов растений, которые люди еще не научились культивировать в закрытом грунте. Например, известно, что количество лекарственных растений, применяемых в мировой медицине, достигает 12 000 видов, а в официальных фармакопеях любой страны активно используемых видов не более 150. Из 1 500 видов эфирномасличных культур промышленное значение имеют только 110—120 видов. Таким образом, статистика показывает, что практическое промышленное и хозяйственное применение растений очень мало и составляет 0,4—0,5 %, в то время как источником многих биологически активных веществ являются именно они.

«Наша задача — исследовать ресурсные растения, произрастающие в дикой природе, а затем научиться культивировать их в искусственную среду, — пояснила Наталья Смирнова. — Исходя из биологических потребностей отдельных культур и природно-климатических условий места их произрастания, мы воссоздаем условия в контролируемом климате, а дальше учимся культивировать растения. Именно через систему управления мы наблюдаем за фотосинтезом и питанием, оцениваем состояние растения. Дальше нам нужно будет понять, способны ли мы изменить уровень содержания питательных компонентов, сделать его более качественным и концентрированным. За счет такого подхода мы сохраняем растение в природе, но при этом можем выращивать его в контролируемых условиях. Открываются возможности для сохранения разнообразия, акклиматизации растений и восстановления нарушенных территорий».

Опыт выращивания земляники и крестоцветных растений

Сейчас Институт почвоведения и агрохимии СО РАН проводит эксперимент по выращиванию земляники. Уже несколько лет ученые подбирают наиболее оптимальные абиотические условия и питательные составы, которые позволят управлять за ростом и вкусом ароматной и полезной культуры.

«Мы можем регулировать вкус не за счёт изменения сорта или других генетических модификаций, а за счёт изменения входных параметров. Например, если земляника кислит, можно сделать ее слаще уже через неделю благодаря естественным процессам, связанным с питанием и фотоморфогенезом: мы меняем соотношение элементов, спектр света или количество часов досветки. Вроде бы всё просто, и многие могут сказать, что это и так известно, однако вкусную ягоду большинство людей получает только на грядке летом, а мы круглый год в лаборатории», — объяснила Наталья Смирнова.

Ещё один эксперимент — по крестоцветным растениям. За счет изменения спектрального состава света и продолжительности фотопериода можно значительно влиять на их развитие. Зачастую цели промышленного выращивания зелени — прирост листьев, увеличение производства семян или повышение общей массы урожая. При этом увеличение массы должно сопровождаться накоплением минеральных и органических веществ, что позитивно влияет на качество продукции. Например, при недостатке света растение увеличивает площадь поверхности листа, чтобы улавливать больше энергии света, и при этом тормозится генеративная фаза и цветение.

Технология СУПР сейчас активно дорабатывается. Она проходит этапы апробации на разных культурах и расширения контролируемых параметров, чтобы обеспечить более эффективную и точную регулировку питания для растений. Разработчики фокусируются на выделении и расширении списка фитокомпонентов, которые влияют на вкус и качество растения. Помимо этого, учёные рассматривают возможность внедрения молекулярных биологических исследований, связанных с регулировкой экспрессии генов посредством световых реакций.

Главная цель разработчиков — улучшить систему на основе входных данных, полученных в результате тестов, фитомониторинга, визуального контроля и использования датчиков. Специалисты стремятся лучше понять изменения, происходящие в растениях, и изучить их дыхание и реакцию на световые условия. В процессе также уделяется внимание автоматизации и расширению системы с использованием дополнительных контрольных датчиков для более точного фитомониторинга. Кроме того, ученые ищут возможности для сотрудничества и коллабораций.

«На сегодняшний день система разрабатывается в нашем институте и не применяется широко. Для того чтобы выйти на следующий уровень, мы планируем расширить ее на большее количество растений. Помимо сельскохозяйственных культур, также рассмотрим использование для культивации природных ресурсных растений. После того как увеличится спектр разновидностей, на которых мы отработаем нашу систему управления, речь пойдет и о выходе за пределы института», — прокомментировала Наталья Смирнова.

Источник: Официальный канал РАН.