Prof. dr hab. inż. Michał Starzycki Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, Państwowy Instytut Badawczy w Poznaniu ŻYZNOŚĆ GLEBY ŹRÓDŁEM OCHRONY ROŚLIN Terminem żyzność gleby określamy naturalną zdolność gleb do zaspokojenia w składniki odżywcze roślin. O jej składzie i własnościach do dobrego wzrostu zdrowych roślin decydują następujące czynniki: biotyczne i abiotyczne. Do pierwszej grupy zalicza się w większości bakterie i grzyby o składzie odpowiednim dla mikroflory glebowej oraz wszystkie drobne organizmy z królestwa zwierząt. Abiotyczne czynniki gleb to zespół fizycznych, chemicznych, biochemicznych, fizykochemicznych cech decydujących o jej żyzności. Na naturalną żyzność gleb wpływają procesy glebotwórcze i biorące w nich udział związki mineralne, koloidy glebowe, próchnica jako zhumifikowana, bezpostaciowa materia organiczna oraz zespół wspomnianych mikroorganizmów odnawiających jej żyzność. Żyzność gleb można zwiększyć stosując odpowiedni płodozmian roślin, właściwą dla danych gleb uprawę i nawożenie, zarówno organiczne i mineralne oraz przez melioracje zachowując właściwe stosunki wodno powietrzne. Interesującymi dla rolnictwa rozwiązaniami z zakresie podniesienia żyzności gleb i ochrony roślin przed chorobami są stosowane od niedawna (ok. 10 lat) kompozycje kultur pożytecznych mikroorganizmów. W skład tych preparatów mikrobiologicznych wchodzą bakterie kwasu mlekowego, promieniowce, bakterie fotosyntetyzujące. Bakterie kwasu mlekowego (Lactobacillus i Bifidobacterium) dość często spowalniają rozwój chorobotwórczych mikroorganizmów oraz przyspieszają biodegradację materii organicznej. Antagonizm tych bakterii wobec innych drobnoustrojów kojarzony jest z następującymi metabolitami i ich działaniem: produkcją kwasów organicznych, pośrednio wpływających na regulację (buforowanie) odczynu gleby (ph), wytwarzaniem nadtlenku wodoru (H 2 O 2 ), wytwarzaniem peptydów-bakteriocyn laktacyny, laktobiny, acidoliny i in., działaniem modyfikującym na układ odpornościowy oraz współzawodnictwem w kierunku miejsc receptorowych na powierzchni komórek rośliny gospodarza. Następną grupą są drożdże (Saccharomyces), produkujące substancje o charakterze związków fitohormonalnych, enzymy i in. oraz związki stanowiące najczęściej pożywkę dla bakterii kwasu mlekowego i pożytecznych promieniowców (Actinomycetes). W skład tych preparatów wchodzą także bakterie fotosyntetyzujące. Bakterie te odgrywają wiodącą rolę w procesach biochemicznych;. posiadają zdolność syntezy aktywnych biochemicznie związków, wykorzystując do tego celu energię słoneczną i ciepło gleby. Naukowcy zajmujący się problemami rolnictwa, badali te gatunki mikroorganizmów od wielu lat.
Badania ukierunkowane były na aplikacyjne możliwości zaszczepiania gleby pożytecznymi mikroorganizmami w celu stworzenia jak najbardziej korzystnego środowiska mikrobiologicznego do uprawy roślin rolniczych (J. Marszewska-Zamięcka, 1974). Technologia EM oraz jej praktyczne zastosowanie zostały opracowane przez Prof. Teruo Higę z Uniwersytetu Ryukyus na Okinawie - Japonia (Higa T. 2003). Koncepcję Teruo Higa rozwija jego wychowanek Matthew Wood z Kansas City, pod nazwą SCD Probiotechnologia (Kazimierz Długosz, 2012). Głównymi założeniami jej są: przywrócenie naturalnej równowagi w ekosystemach, które zostały naruszone działalnością człowieka oraz efektywne ukierunkowanie rozwoju mikroorganizmów z przesunięciem w kierunku wzbogacenia gleby w gatunki sprzyjające rozwojowi roślin. Efektywność konsorcjów pożytecznych mikroorganizmów opiera się na działaniu dobranych mikroorganizmów, które mogą wspólnie rozwijać się w mieszaninach hodowlanych i są ze sobą kompatybilne fizjologicznie. Stwierdzono, że mieszanina tak dobranych mikroorganizmów zaaplikowana do naturalnego środowiska stymuluje tworzenie próchnicy glebowej, rozkładając pozostawione resztki pożniwne i podnosi zdrowotność gleb poprzez ograniczenie występowania patogenów. Ponadto stosując kompozycje pożytecznych mikroorganizmów w uprawach rolniczych odnotowuje się ich korzystne działanie poprzez: przyspieszenie i rozkład wszelkich odpadków i szczątków organicznych, zwiększenie dostępności dla roślin składników mineralnych i organicznych, zwiększanie aktywności pożytecznych mikroorganizmów występujących w danej glebie, zwiększenie zdolności akumulacji azotu oraz zmniejszenie zapotrzebowania nawozów mineralnych i zmniejszenie udziału pestycydów, a także często wzrost odczynu gleby z kwaśnego do blisko obojętnego. Ważne z punktu widzenia technologii EM jak i probiotechnologii jest to, że badania dotyczące zdrowotności gleb zostały przeprowadzone na wielu różnych typach, na których w większości przypadków odnotowano pozytywne działanie. W Pracowni Metod Hodowli Odpornościowej, Poznańskiego Oddziału Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin przeprowadzono badania z użyciem EM na poletkach doświadczalnych w Małyszynie (po raz pierwszy 10 lat temu). Podczas zbioru oceniono porażenie rzepaku (Brassica napus) inokulowanego grzybem Sclerotinia sclerotiorum (wywołującym zgniliznę twardzikową) oraz plon wybranych odmian i rodów opryskanych biopreparatem w fazie przed kwitnieniem. Podobnych obserwacji dokonano w grupie kontrolnej, w której nie podano biopreparatu Gleba, na której prowadzono doświadczenia została ponadto jednorazowo potraktowana tym samym preparatem. Porównując plonowanie i odporność na porażenie powodowane przez S. sclerotiorum między roślinami kontrolnymi oraz traktowanymi biopreparatem dolistnie i doglebowo, stwierdzono że poziom plonowania roślin zaaplikowanych preparatem był wyższy (14,82%) (p = 0,00062) oraz redukcja porażenia wyniosła 29,21% (p = 0,00161). Powtórzono doświadczenie z użyciem biopreparatu EMa w kolejnym roku na poletkach zlokalizowanych w Zielęcinie. Do badań wybrano dwadzieścia rodów hodowlanych rzepaku otrzymanego z kultur in vitro (Starzycki
M., Starzycka E. i in. 2007). Podobnie jak w poprzednim roku stwierdzono wyższy plon nasion B. napus z poletek, na których stosowano zabieg zraszania roślin i podłoża biopreparatem, co również potwierdzono statystycznie (p = 0,0274). Ponadto na roślinach (pędach i liściach) badanych rodów rzepaku nie stwierdzono symptomów innych groźnych chorób pochodzenia grzybowego. Podobnie korzenie nie wykazały zmian chorobotwórczych. Powyższe badania są kontynuowane nie tylko na formach czarnonasiennych, ale również na słabszych genotypach żółtonasiennych rzepaku ozimego. Wyniki pozwalają przypuszczać, że technologie oparte na naturalnych kompozycjach pożytecznych mikroorganizmów przyczyniły się do wzrostu aktywności mikroflory glebowej przy zachowaniu gatunków rodzimych oraz skierowały ich aktywność na wspieranie procesów zdominowanych przez pożyteczne mikroorganizmy. Przydatność gleby do uprawy roślin określana jest na podstawie jej żyzności, urodzajności i potencjalnej produktywności. Dla rolnictwa najważniejsza jest wspomniana żyzność gleby, czyli zawartość składników zaspokajających życiowe potrzeby roślin. Najczęściej, jeżeli struktura gospodarstwa na to pozwala stosuje się dobrze przefermentowany obornik, który ma ogromne znaczenie w podniesieniu żyzności gleby i zdrowotności roślin. Przy wysokiej temperaturze kompostowania selekcjonuje się mikroflora termofilna. Nie oznacza to, że stłumione mikroorganizmy całkowicie zamierają, przechodzą jedynie w fazę uśpienia i mogą powtórnie rozwinąć się przy sprzyjających dla nich warunkach. Z dostępnej informacji (RZD Zielęcin) wynika, że aby fermentacja obornika przebiegała w sposób kontrolowany i korzystny. Dobrze jest użyć kompozycje pożytecznych mikroorganizmów po to, by przesunąć proces fermentacji w kierunku zwiększenia populacji mikroorganizmów sprzyjających procesowi fermentacji mezofilnej. Z przeprowadzonych obserwacji z wielolecia, można stwierdzić, że technologia oparta na indukcji naturalnych kompozycji pożytecznych mikroorganizmów na pryzmy obornikowe przyczynia się nie tylko do podniesienia zdrowotności i żyzności gleb, ale wpływa korzystnie na usuwanie uciążliwych odorów (H 2 S, NH 3 i in.). Większość światowych odmian roślin rolniczych oparta jest na technologii zwanej DH (Double Haploid, Podwojone Haploidy). Rośliny rozwijające się z mikrospor (androgenezą) lub komórek woreczka zalążkowego (gynogeneza) posiadają zredukowaną haploidalną liczbę chromosomów (1n). Po podwojeniu liczby chromosomów przy użyciu cytostatyków (najczęściej kolchicyny) można otrzymać homozygotyczne, podwojone haploidy (2n) dziedziczące się w następnych pokoleniach identycznie. Opracowanie i udoskonalanie metod in vitro otrzymywania linii podwojonych haploidów u wielu gatunków roślin uprawnych pozwoliło na szerokie ich zastosowanie w badaniach podstawowych oraz hodowli (Szała, Adamska, Cegielskia Taras 2000). Dysponowanie liniami homozygotycznymi podnosi skuteczność selekcji i ułatwia wybór pożądanych genotypów. Jednak, aby otrzymać jednolite genetycznie organizmy roślinne o określonych cechach jakościowych i ilościowych należy wykonać bardzo wiele eksperymentów in vivo oraz in vitro. Właśnie powyższa technologia powinna zostać uzupełniona o ochronę związaną ze stosowaniem kompozycji pożytecznych
mikroorganizmów z wielu powodów. Ustalony genotyp roślin, zresztą bardzo korzystny, nie zawsze tolerowany jest przez naturalne środowisko. Mowa tu o większych porażeniach przez patogeny spotykanych na tego typu uprawach. Ważnym aspektem z punktu widzenia rolnictwa jest przystosowanie i szybkie dopasowanie się różnych patotypów chorobotwórczych organizmów do ustalonego genetycznie organizmu roślinnego. Związane jest to z tak zwanym przełamaniem odporności, a homozygotyczne formy są szczególnie narażone na tego typu działanie. Stosowanie kompozycji pożytecznych mikroorganizmów może być skuteczną pomocą w ochronie upraw rolniczych opartych na odmianach DH. Następnym ważnym kierunkiem w otrzymaniu wyższych i zdrowszych plonów roślin jest wykorzystanie efektu heterozji. Zjawisko to polega na szczególnym wigorze mieszańców (F1) otrzymanych z dobranych rodziców o zróżnicowanych genotypowych. Teoretycznie największego efektu heterozji można oczekiwać przy dużym zróżnicowaniu alleli poszczególnych genów rodzicielskich. Najczęściej do wytwarzania odmian roślin F1 wykorzystywane są systemy oparte o rośliny CMS (z cytoplazmatyczną męską niepłodnością) i dalej z wykorzystaniem form DH form restorujących (zdolnych przywrócić płodność). Pomimo, że heterozygotyczne odmiany (F1) roślin rolniczych charakteryzują się z reguły wyższym plonowaniem można na nich zauważyć także wysoki stopień porażeń przez patogeny. Także w tym przypadku stosowanie konsorcjów pożytecznych mikroorganizmów może być skuteczna ochroną upraw rolniczych opartych na odmianach heterozyjnych (F1). W konkluzji należy stwierdzić, że stosowane aplikacje biopreparatów zawierających żywe kultury pożytecznych mikroorganizmów podnosiły na wyższy poziom zdrowotność oraz plony nasion rzepaku różnych odmian, rodów i form. Mając na uwadze przedstawione wyniki potwierdzające skuteczność działania mikroorganizmów warto by było zwiększyć powszechność ich stosowania. Jednak przyczyną mniejszego zainteresowania rolnictwa w powszechnym stosowaniu kompozycji pożytecznych mikroorganizmów jest mała liczba eksperymentów i publikacji naukowych z biopreparatami zawierającymi kompozycje pożytecznych mikroorganizmów. Wyniki doświadczeń (szczególnie z wielolecia), mogą być dobrym wskaźnikiem celowości stosowania tych technologii w ograniczaniu chorób roślin oraz otrzymywaniu wyższych plonów i przywracaniu właściwej proporcji mikroflory gleb oraz jej żyzności - zdrowotności. Następnym problemem jest potrzeba przebadania wpływu metabolitów (całego kompleksu oraz pojedynczych gatunków) stosowanych mikroorganizmów na rośliny i doglebowo, a także rozpoznanie pełnego składu gatunkowego mikroorganizmów wykorzystywanych w obydwu technologiach: technologii EM i probiotechnologii na podstawie sekwencjonowania DNA. Literatura: Elżbieta Adamska, Teresa Cegielska-Taras, Laurencja Szała. Parametry genetyczne dla cech struktury plonu oraz zawartości tłuszczu w nasionach rzepaku ozimego oszacowane na
podstawie linii DH otrzymanych z mieszańca F 1 (DH O-120 DH C-1041), Tom XXIII Rośliny Oleiste, 2002. Higa T. Rewolucja w Ochronie Naszej Planety. Wyd. Fundacja Rozwój SGGW, Warszawa 2003. Uzdrowić Ziemię (opr. zb. pod red. K. Długosza), wyd. Stowarzyszenie EkosystEM- Dziedzictwo Natury, Warszawa 2012. J. Marszewska-Zamięcka. Mikrobiologia gleby i nawozów organicznych. Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne. Warszawa 1974. Elżbieta Starzycka, Michał Starzycki. Najważniejsze wyniki badań nad zgnilizną twardzikową w rzepaku przedstawione na XII Międzynarodowym Kongresie Rzepakowym w Wuhan-Chiny. Rośliny Oleiste Oliseed Crops t. XXIX: 281-290, 2008. Michał Starzycki, Eligia Starzycka, and Jan Pszczoła. Development of Alloplasmic Rape. Advances in Botanical Research, Elsevier Ltd. Vol. 45, 313-335, 2007.