Výzkum biostimulantů rostlin a jejich vlivu na symbiotické mikroorganismy

Jednou z celosvětově největších ekologických výzev je snaha o snížení negativního vlivu intenzivního zemědělství na životní prostředí. Intenzivní chemické ošetření ovlivňuje klíčové ekofyziologické vlastnosti rostlin, symbiózu s mykorhizními houbami a endofytickými mikroorganismy. Použití ekologicky šetrných produktů v podobě biostimulantů rostlin může být řešením pro nové systémy udržitelné rostlinné výroby.

Biostimulanty rostlin
Biostimulanty jsou biologicky aktivní látky získané z přírodních nebo z odpadních materiálů. Mohou podpořit růst rostlin a/nebo posílit obranyschopnost rostlin vůči různým stresovým faktorům. Zvláštnost biostimulantů spočívá v tom, že neobsahují vysoké procento aktivních látek, takže nemohou být považovány za typická hnojiva, ani za prostředky na ochranu rostlin. Typické pro biostimulanty je, že aktivní složky v nich obsažené ovlivňují metabolismus rostliny a spouští v rostlině procesy, které obecně zlepšují její růst a zdravotní stav. Zajímavostí je, že u většiny biostimulantů doposud není znám přesný mechanismus účinku, což otevírá řadu možností pro vědecké bádání.

Proteinový hydrolyzát z peří
V  projektu BIOSTISYM, financovaném EU v rámci Akce “Marie Skłodowska-Curie”, vědci z Botanického ústavu zkoumali biostimulační účinky proteinového hydrolyzátu z peří, poskytnutého Ústavem chemických procesů AV ČR (Centrum Kompetence Bioraf[1]), na pšenici a na její interakci se symbiotickými mikroorganismy.

Peří je odpadní surovinou drůbežářské výroby a každoročně se jej nahromadí řádově miliardy tun. Likvidace peří je obzvláště problematická, protože je buď zapraveno do země, kde se velmi pomalu rozkládá, nebo je spalováno, což způsobuje znečištění životního prostředí[2]. Takovouto likvidací zůstávají cenné látky obsažené v peří naprosto nevyužity. Peří obsahuje více než 90% bílkovin[3], které mohou být přeměněny na peptidy a aminokyseliny např. pomocí tlakové hydrolýzy[4], která je v souladu s předpisy EU o vedlejších produktech živočišného původu[5]. Tyto směsi aminokyselin a peptidů aplikované na rostliny mohou zvýšit syntézu proteinů, odolnost proti stresu, účinnost fotosyntézy, funkci průduchů, chelatační účinek, utváření plodu a obsah aminokyselin a fytohormonů. Navíc opětovné použití odpadních surovin je jednou z hlavních zásad balíčku opatření v oblasti cirkulární ekonomiky, který přijala Evropská komise v roce 2015[6]. Evropská komise také navrhla nařízení, jehož cílem je podpořit používání ekologických hnojiv a hnojiv na bázi odpadů tak, aby se dostala na úroveň tradičních hnojiv. V současné době je pouze 5% odpadních organických materiálů recyklováno a používáno jako hnojivo, přitom recyklovaný biologický odpad by mohl nahradit až 30% tradičních hnojiv6.

Biostimulační účinky proteinového hydrolyzátu na pšenici a na její interakci se symbiotickými mikroorganismy
Dvouletý projekt BIOSTISYM se zaměřil na pšenici ozimou, protože při pěstování této zemědělsky významné plodiny jsou běžně aplikovány vysoké dávky agrochemikálií pro zajištění adekvátního výnosu. Použitím biostimulantů by se mohla částečně snížit nutnost aplikace těchto chemikálií u této plodiny za současného zachování zdravého půdního ekosystému.

Vědci nejprve ověřili biostimulační účinek proteinového hydrolyzátu v květináčovém pokusu ve fóliovníku. Ukázalo se, že hydrolyzát pozitivně ovlivnil růst rostlin v závislosti na výživě fosforem. Nebyl navíc prokázán žádný negativní účinek na kolonizaci kořenů pšenice mykorhizními houbami.

U polních plodin jako je pšenice je nutné prokázat účinnost agrotechnických přípravků v polních podmínkách. V polním pokusu bylo prokázáno, že při aplikaci hydrolyzátu na počátku sloupkování došlo téměř k 5% navýšení výnosu oproti kontrolní variantě neošetřené hydrolyzátem. Navíc dva týdny po aplikaci proteinového hydrolyzátu vzrostlo významně množství vyprodukované nadzemní biomasy, výška rostlin a obsah chlorofylu v listech. Vědci se domnívají, že ovlivnění těchto růstových parametrů rostlin v raném vývojovém stadiu má souvislost se zvýšením výnosu. Kolonizace kořenů pšenice mykorhizními houbami nebyla ani v polních podmínkách nijak negativně ovlivněna aplikací hydrolyzátu. Aplikace hydrolyzátu naopak pozitivně ovlivnila počet vezikul, zásobních orgánů arbuskulárně mykorhizních hub. Existuje domněnka, že by aplikací proteinového hydrolyzátu na rostlinu mohlo docházet k nepřímému ovlivnění složení mikrobiálních společenstev na kořenech rostlin. Přesný mechanismus ovlivnění arbuskulárně mykorhizních hub však nebyl dosud objasněn.

Proteinový hydrolyzát z peří se díky svým biostimulačním účinkům na pšenici jeví perspektivně pro zařazení do pěstitelské technologie, kde by mohl doplnit či částečně nahradit tradiční hnojiva a tím snížit zátěž životního prostředí chemikáliemi. K tomu přispívá i to, že tento biostimulant neovlivňuje negativně symbiotické mikroorganismy a je využitelný i pro ekologické pěstování.

Nicméně pro úspěšné zavedení hydrolyzátu do zemědělské praxe je nejprve nezbytné opakované ověření účinnosti v polních podmínkách a zajištění stabilního složení biostimulačního produktu.

Další aktivity projektu BIOSTISYM
Vědci v rámci projektu BIOSTISYM usilovali o rozšíření povědomí veřejnosti o problematice udržitelného zemědělství a ovlivnění interakcí rostlin s prospěšnými mikroorganismy agrotechnickými zásahy. Byly pořádány vzdělávací přednášky v rámci programu „Nebojte se vědy“ organizovaného AV ČR pro studenty středních škol, studentské stáže v rámci programu „Otevřená věda“ AV ČR a byly poskytnuty příspěvky pro Týden vědy a Festival vědy, popularizační akce AV ČR. Výsledky projektu byly prezentovány na třech mezinárodních konferencích a z výzkumu vzejdou dvě vědecké publikace. Projekt je také prezentován ve výstavních prostorách průhonického zámku.

Prezentace projektu na mezinárodních konferencích

9th International Conference                           Plant Biology Europe                     Microbiomes underpinning Agriculture
on Mycorrhiza Praha,                                      Copenhagen,                                 Cork,
30. 7. – 4. 8. 2017                                           18. – 21. 6. 2018                           1. – 2.10. 2018

Prezentace projektu v prostorách Botanického ústavu

 

[1]Centrum kompetence pro výzkum biorafinací, https://bioraf.cz/.

[2] Vasileva-Tonkova, E., Gousterova, A. and Neshev, G., 2009. Ecologically safe method for improved feather Wastes Biodegradation. Intern. Biodeterior. Biodegrad., 63, 1008-1012.

[3] Tiwary and Gupta, 2012. Rapid Conversion of Chicken Feather to Feather Meal Using Dimeric Keratinase from Bacillus licheniformis ER-15. J Bioproces Biotechniq, 2:4.

[4] Hanika, J., Šolcová, O., Kaštánek, P., 2015. Pressure Hydrolysis of Protein in Waste of Chicken Cartilage and Feathers in the Presence of Carbon Dioxide. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-189274 [25-3-2019].

[5]REGULATION (EC) No 1069/2009 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL, 2009.

[6]European Commission – Press release. Circular economy: New Regulation to boost the use of organic and waste-based fertilisers, Brussels, 17 March 2016. http://europa.eu/rapid/press-release_IP-16-827_en.htm [25-3-2019].