Zboża wieloletnie mają pomóc w złagodzeniu skutków postępującej globalnej degradacji środowiska i utraty bioróżnorodności. Nad pomysłami wykorzystania mikroorganizmów w uprawach rolnych pracują biolodzy z UMK w ramach międzynarodowego projektu NAPERDIV.

Z powodu zmian klimatycznych oraz kurczenia się areałów cały czas ewoluuje system uprawy roślin. Rolnictwo dąży do uprzemysłowienia, nastawione jest na szybką produkcję. Co więc zrobić, żeby było zgodne z naturą? Aby sprostać temu zadaniu, trzeba znaleźć nowe grunty pod uprawy. Jednym ze sposobów na zagospodarowanie przez rolnictwo kolejnych terenów jest wykorzystanie ziem o wysokim zasoleniu, których nie brakuje. W naszym regionie przykładem są chociażby okolice Ciechocinka lub Inowrocławia. Zbyt wysokie zasolenie gleb dotyczy również wielu innych obszarów na świecie i wiąże się z negatywną działalnością człowieka, taką jak np. niewłaściwe nawadnianie, wylesianie i intensywne nawożenie. Zasolenie gleby może prowadzić do powstania suszy fizjologicznej dla roślin: roślina uprawiana w glebie o zbyt niskim potencjale osmotycznym nie może pobierać wody z otocznia, mimo że się tam ona znajduje. Prowadzi to obniżenia uzyskiwanych plonów z upraw.

W związku z nowymi wyzwaniami dla rolnictwa biolodzy z UMK od lat zajmują się  zagadnieniem zwiększenia odporności roślin na zasolenie poprzez ich inokulację, czyli przenoszenie na rośliny uprawne wyselekcjonowanych mikroorganizmów, pochodzących z terenów skrajnie zasolonych.

Na prawidłowy wzrost roślin na glebach zasolonych lub na glebach, które są dotknięte suszą, wpływa ich mikrobiom, co udowodnili naukowcy z UMK.

Mikrobiom to naturalny zestaw mikroorganizmów charakterystyczny dla danego gatunku rośliny. Najczęściej jest przez nią selektywnie dobierany z otaczającego środowiska glebowego. Gdy gleba ulega degradacji lub poddana jest długotrwałej suszy, mikrobiom w glebie ulega zmianie, a roślina, aby przetrwać, musi się do niego przystosować. Pomocne w przystosowaniu do niekorzystnych warunków środowiskowych mogą okazać się mikroorganizmy, które już zasiedlają tkanki rośliny, np. znajdowały się w nasionach lub wprowadzone do rośliny na drodze jej inokulacji.  

Nasze badania koncentrują się wokół poznania naturalnego mikrobiomu roślin w kontekście ich odporności na stres - tłumaczy prof. dr hab. Katarzyna Hrynkiewicz, kierowniczka Katedry Mikrobiologii na Wydziale Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych UMK. - Przy okazji izolujemy bakterie i grzyby charakteryzujące się szczególnymi właściwościami promującymi wzrost roślin w niekorzystnych warunkach środowiskowych.

Zespół prof. Hrynkiewicz wziął pod lupę m.in. roślinę Salicornia europaea, w Polsce chronioną, ale w niektórych krajach europejskich wykorzystywaną jako warzywo lub dodatek do potraw. - Badaliśmy ją zarówno pod kątem naturalnego mikrobiomu, jak i mikroorganizmów przystosowanych do wysokiego zasolenia. Po ich przebadaniu stosowaliśmy je do inokulacji. Przypuszczaliśmy, że te specyficzne mikroorganizmy wyizolowane z naturalnych warunków, z rośliny halofilnej (słonolubnej) mogą w niekorzystnych warunkach środowiskowych zasolenia bądź suszy stymulować wzrost roślin uprawnych, co prowadzi do większych plonów.

W 2021 r. w ramach projektu "Uprawa zbóż wieloletnich oparta na naturze jako model zachowania bioróżnorodności funkcjonalnej w przyszłościowym rolnictwie" (NAPERDIV) biolodzy rozpoczęli prace nad rośliną Thinopyrum intermedium  (pszenicą zwyczajną pośrednią), która może być uprawiana w cyklu wieloletnim. Eksperymentalnie jest już wysiewana na stanowiskach w całej Europie, począwszy od zimnej Szwecji po cieplejsze rejony południa naszego kontynentu. Systemy wieloletnie, zbliżone cechami do ekosystemów naturalnych, zwłaszcza łąk, są innowacyjnym pomysłem służącym promocji rolnictwa opartego na naturze.

W obecnie funkcjonujących standardach rolnictwa obowiązuje jednoroczny cykl uprawy zboża obejmujący przygotowanie gruntu, siew, nawożenie, opryski i żniwa. Po czym cały proces zaczyna się od początku. W ten sposób co roku rolnicy naruszają strukturę gleby, a w efekcie jej mikrobiom. Nowe podejście oznacza zmniejszenie nakładów pracy oraz redukcję kosztów dla środowiska: spadnie poziom zniszczenia struktury  gleby oraz ilość środków stosowanych do ochrony roślin przed patogenami. Dodatkowo uprawy wieloletnie pozytywnie wpływają na łagodzenie zmian klimatycznych poprzez zapewnienie glebie stałej okrywy roślinnej. Dzięki temu uprawy mogą być bardziej opłacalne i ekologiczne. – Dlatego staram się ten projekt wypromować nie tylko naukowo, ale też wśród rolników i firm rozprowadzających nasiona – mówi prof. Katarzyna Hrynkiewicz.

NAPERDIV to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział osiem ośrodków: z Niemiec, Austrii, Belgii, Francji, Szwecji i Rumunii. Każdy z zespołów zajmuje się innym zagadnieniem. Toruńscy naukowcy koordynują zespołem "Crop-associated microbiome", odpowiadającym za interakcję roślin z mikroorganizmami. Tworzą go oprócz prof. Hrynkiewicz postdoc z Japonii dr Makoto Kanasugi, dr Edyta Deja-Sikora i dr Bliss Furtado. Ta ostatnia była doktorantką, która wykonywała wcześniejsze badania w europejskim projekcie Horyzont 2020. Zajmowała się Salicornią, badaniem mikrobiomu grzybowego i izolacją mikroorganizmów grzybowych, które mogłyby stymulować wzrost innych roślin uprawnych. Chodziło o grzyby endofityczne. Po wyselekcjonowaniu tych najlepszych, które mogą promować wzrost, przenosiła je na rośliny trawiaste. Badania były prowadzone we współpracy z duńską firmą DLF Seeds A/S. Dr Bliss Furtado odbyła tam trzymiesięczny staż, w czasie którego prowadziła próby wykorzystania mikrobiologicznych inokulatów do zwiększenia tolerancji roślin na niekorzystne warunki środowiskowe. Teraz wraz z toruńskim zespołem sprawdza mikrobiom glebowy i roślin, bada równowagę i zmiany w mikrobiomie i dąży do ustalenia, w jaki sposób mikrobiom będzie wpływał na łagodzenie zmian klimatycznych. Wyniki uzyskane w projekcie NAPERDIV mogą być podstawą do zmian prawnych w Unii Europejskiej dotyczących produkcji rolnej. Przyczynią się też do zwiększenia bezpieczeństwa żywnościowego i powstania nowych gatunków roślin. Projekt zaplanowany jest do 2024 r.

- Dodatkowy aspektem aplikacyjnym będzie izolacja mikroorganizmów z rośliny utrzymujących się w mikrobiomie przez dłuższy czas i mających pozytywny wpływ na wzrost roślin uprawnych – podsumowuje prof. Hrynkiewicz. – Mamy nadzieję, że te wyselekcjonowane w oparciu o kilkaset szczepów bakterie i grzyby będą mogły być stosowane do inokulacji jako naturalne mikroorganizmy, mogące wspomagać wzrost roślin.