Po podatkih Organizacije za hrano in kmetijstvo Združenih narodov se bo morala do leta 2050 svetovna pridelava hrane zaradi naraščanja človeške populacije povečati za 70 odstotkov. Trenutne kmetijske prakse temeljijo na uporabi zaščitnih sredstev in gnojil, kar slabo vpliva na okolje, predvsem na kakovost tal in podtalnice. Eden od najpomembnejših izzivov človeštva v tem trenutku je tako tudi priprava nove generacije kmetijskih praks, ki bodo do okolja prijazne, pridelek pa zelo kakovosten in bo zadostoval za zagotavljanje prehranske varnosti prebivalstva v prihodnosti.
»Za kmetijstvo prihodnosti si torej želimo do okolja prijazno, a hkrati tudi učinkovito in kvalitetno pridelavo poljščin,« pravi prof. dr. Kristina Gruden, ki na Nacionalnem inštitutu za biologijo vodi oddelek za molekularno biologijo. Skupaj s kolegom dr. Markom Petkom ter dr. Vidom Podpečanom, podatkovnim znanstvenikom iz Oddelka za tehnologije znanja na Institutu Jožef Stefan (IJS), so pred nedavnim v ugledni strokovni reviji s področja ved o rastlinah, Trends in Plant Science, objavili pregledni članek naslovom Ménage à Trois: Razvozlavanje mehanizmov, ki uravnavajo interakcije med rastlinami, mikroorganizmi in žuželkami (angl. Ménage à Trois: Unraveling the Mechanisms Regulating Plant–Microbe–Arthropod Interactions).
Raziskovalci so ugotovili, da se bodo rastline, ki so v stiku s koristnimi mikroorganizmi, lahko boljše borile proti škodljivcem in drugim škodljivim vplivom iz okolja. Gre za popolnoma enako filozofijo imunske odpornosti kot pri ljudeh.
V študiji so preučili odzive rastlin na druge organizme v okolju in tako utrli pot pametni uporabi mikroorganizmov pri pripravi bioloških gnojil in zaščitnih sredstev v kmetijstvu.
Matematika je v biologiji ključnega pomena
V strokovnih krogih je že znano, da lahko uporabljamo določene mešanice mikroorganizmov kot gnojila oziroma zaščitna sredstva proti škodljivcem. Žal ti pripravki niso vedno delovali, tako da se njihova uporaba doslej ni razširila. Za pripravo optimalnih mešanic in tudi določanje pravega načina za njihovo uporabo je namreč nujno poznavanje mehanizmov, ki se sprožijo v rastlini in jo naredijo bolj odporno proti škodljivcem ali pa ji omogočijo boljšo izrabo hranil v tleh. »Odzivi rastline so lahko zelo kompleksni, vključujejo več sto različnih molekul. Za njihovo pravilno razumevanje potrebujemo celosten, tako imenovan sistemsko biološki pristop,« pojasnjuje prof. dr. Grudnova. Taki pristopi pa so mogoči šele sedaj, z razvojem novih, zelo zmogljivih metod v biologiji in s povezovanjem z informacijskimi in matematičnimi vedami.
Večina laboratorijskih raziskav poteka tako, da raziskovalci hkrati preučujejo interakcijo rastline le z enim drugim organizmom, ki je bodisi škodljiv ali pa koristen. S takšnim pristopom uspešno odkrivajo osnove imunskega odziva rastlin. V tem članku pa so raziskovalci pokazali, da se s takimi raziskavami ne da napovedati, kako se bo rastlina odzvala v bolj kompleksnem ekosistemu, ki vključuje na tisoče organizmov, ki so v medsebojnih odnosih.
»Posebej smo se osredotočili na trojne interakcije, v katerih sodelujejo rastlina, mikrob in žuželka. Večina mehanizmov se sproži tudi v dvojni interakciji, vendar se od enostavnejših interakcij dveh organizmov pogosto razlikuje v intenziteti in hitrosti odziva. Takšne razlike so osnova za izid interakcije v prid rastline in tudi za načrtovanje ekološke zaščite poljščin. Pri tem je zelo pomembno tudi zaporedje, v katerem se interakcija vzpostavi, na primer koristen mikroorganizem mora vzpostaviti interakcijo z rastlino vsaj nekaj ur pred škodljivcem,« idejo o bitki za čas, ki poteka tudi v rastlinskem svetu, pojasni prof. dr. Kristina Gruden.
Živi organizmi za zaščito rastlin
Na trgu je že več fitofarmacevtskih sredstev, katerih glavna učinkovina so živi mikroorganizmi. »To so lahko mikroorganizmi, med katere sodijo bakterije, glive ali virusi, ki jih domešamo v prst. Med biotske načine zaščite rastlin pa sodijo tudi paraziti, kot na primer določena vrsta osic, ki odlagajo jajčeca v ličinke nekaterih škodljivcev, denimo koloradskega hrošča,« pojasni dr. Grudnova.
Ličinke osic pojedo ličinke koloradskega hrošča in tako uničijo tega hudega škodljivca krompirja ter zaustavijo njegovo razmnoževanje. Sredstva, ki temeljijo na živih organizmih, so lahko registrirana kot fitofarmacevtska sredstva ali kot biostimulansi. »Biostimulansi, torej neke vrste gnojila, po definiciji pomagajo pri rasti rastlin. Po današnji zakonodaji je produkt lažje registrirati kot biostimulans kot pa kot zaščitno sredstvo za rastline, zato proizvajalci veliko mikroorganizmov registrirajo le kot take in se zato o njihovi zaščitni vlogi manj sliši,« doda sogovornica.
Na odgovor, zakaj rastline boljše rastejo, je lahko zelo veliko odgovorov. Kako vse skupaj poteka? Mikroorganizmi se pritrdijo na korenine, včasih pa vstopijo tudi direktno vanje. Njihova lastnost je, da imajo zelo učinkovite t. i. transporterje, s pomočjo katerih črpajo koristne minerale, kot so dušik, žveplo in različne kovine, iz prsti ter jih posredujejo rastlini, da lahko raste, medtem ko rastlina mikroorganizmom v zameno posreduje druge hranilne snovi, na primer sladkorje, ki jih sama sintetizira s pomočjo svetlobe.
»Ugotavljamo, da dodajanje koristnih mikroorganizmov v zemljo v obliki gnojila vpliva tudi na to, da se okrepijo in zaščitijo listi rastline, ki so tako bolje pripravljeni na napad žuželk. Živi mikroorganizmi rastlini ne le omogočajo boljšo rast, kar je sicer naloga gnojil, pač pa tudi zaščito površinskih delov rastline, ki smo jih doslej lahko zaščitili le s pesticidi.«
Pravimo, da rastlina in mikroorganizmi živijo v nekakšni simbiozi, vsi imajo od takšnega »sodelovanja« korist. To pomeni, da ni nujno, da je zemlja zelo bogata s hranilnimi snovmi, saj mikroorganizmi, ki z zemljo bolje »komunicirajo« kot rastlina sama, tej pomagajo, da lažje pride do hranilnih snovi, ki jih potrebuje, vendar jih sama ne more dovolj učinkovito črpati iz zemlje.
Dober primer simbioze so na primer gobe v gozdu, ki zelo pomagajo, da drevesa bolje rastejo, z njihovo pomočjo tudi bolje pridobivajo vodo v sušnih obdobjih. »Določene glive imajo zelo razpreden podzemni del, tako imenovane micelije, in naš gozd brez njih ne bi bil takšen, kot ga poznamo. Mi vidimo samo tisto, kar je nad zemljo, treba pa je vedeti, da imajo gobe pod zemljo svoje micelije, ki črpajo vodo in druge hranilne snovi in jih dostavljajo drevesu,« nadaljuje dr. Grudnova. Micelij je glavno telo gobe, ki se nahaja pod zemljo; goba, ki jo mi utrgamo in pojemo, je samo njen plod, podobno kot jabolko na jablani. Na površini zemlje ne vidimo niti desetine tistega, kar sestavlja celoten organizem neke rastline.
Posamezen organizem gobe je namreč lahko zelo velik, njegov premer dosega tudi več kilometrov. To je razlog, da lahko tako dobro izrabljajo snovi v zemlji, saj lahko manjkajoči mineral potegnejo k sebi, celo če se ta nahaja nekaj sto metrov stran. Pri gnojenju z mikroorganizmi, ki vsebujejo določeno 'pravo' bakterijo ali glivo, je torej lahko tudi zelo revna prst za rastlino dovolj dobra. »Seveda pa to ne pomeni, da lahko na prst, potem ko smo pobrali pridelke, kar pozabimo, ustrezna priprava prsti za drugo sezono je v industrijskem kmetijstvu še vedno ključnega pomena,« pripomni dr. Grudnova.
Dodatni vitamini za ljudi, dodatni minerali za rastline
Z dodajanjem mikroorganizmov poskušajo raziskovalci tudi na njivi ustvariti naraven sistem, ki bi bil podoben tistemu, ki je prisoten v gozdu. »Na njivi, kjer poteka intenzivna kmetijska pridelava, je takšen sistem močno porušen in pogosto privede do oslabljene strukture tal oziroma postane zemljišče nerodovitno in osiromašeno. Mi pa želimo ponovno ustvariti naravno ravnovesje v njem, zato v prst dodajamo mikroorganizme v obliki biostimulansa, « pojasni dr. Grudnova.
Pri ljudeh je podobno: »V našem črevesju imamo ogromno mikroorganizmov, ki nam zelo pomagajo pri presnovi, ki je osnova za vzdrževanje dobrega zdravja. Zato velja, da je eden največjih problemov pri uživanju antibiotikov, da porušimo ta sicer dobro delujoči sistem.« Naloga »dobrih« mikroorganizmov, ki niso škodljivi in s katerimi smo ves čas v stiku, je tudi, da dvigujejo našo imunost, da smo lahko bolj odporni proti škodljivim mikroorganizmom.
Enako je pri rastlinah. Raziskovalci so ugotovili, da se bodo rastline, ki so v stiku s koristnimi mikroorganizmi, lahko boljše borile proti škodljivcem in drugim škodljivim vplivom iz okolja. Pri rastlinah gre za popolnoma enako filozofijo imunske odpornosti proti boleznim, kot jo poznamo pri ljudeh, in zato je enak tudi način uravnavanja tega ravnovesja z dodajanjem koristnih hranil. »Ljudje, da bi si okrepili telo, jemljemo kopico različnih vitaminov, prehranskih dopolnil, snovi za zviševanje odpornosti, super živila itd. Gre za popolnoma enak princip, le da rastline za boljšo rast ne potrebujejo dodatnih vitaminov, te znajo proizvajati same, temveč dodatne minerale,« pojasni dr. Grudnova.
Kot zanimivost, bakterij je v človeških prebavilih ogromno, zanje pravijo, da sestavljajo kar dodaten človeški organ, saj imajo več celic, kot je naših lastnih. Ti mikroorganizmi spodbujajo boljši imunski odziv, tako pri ljudeh kot pri rastlinah. Veliko stvari v rastlinskem svetu nas preseneti, saj doslej nismo vedeli, da imajo tudi rastline imunski odziv, čeprav nimajo krvi; pri rastlinah je namreč vsaka celica sposobna imunskega odziva. »Če omeniva na primer viruse, ki so v tem hipu tako osovraženi, je treba izpostaviti, da so lahko tudi virusi koristni. V rastlinskem svetu je znano, da nekateri virusi pomagajo, da se rastline lažje borijo proti tistim, ki so škodljivi. Naša naloga je, da raziščemo, kako natančno poteka interakcija med mikroorganizmom, kot je na primer virus, in rastlinskim organizmom,« nadaljuje dr. Grudnova.
Matematični modeli poustvarijo relacije v naravi
Bolezni, kot je denimo aktualni covid-19, se ne pojavljajo samo v človeškem svetu, ampak tudi v rastlinskem. Rastline lahko prizadenejo zelo hude bolezenske epidemije, ki jih povzročajo škodljivi mikroorganizmi in žuželke, kot je denimo smrekov lubadar v monokulturnih smrekovih gozdovih, bakterija, imenovana Xylella fastidiosa, ki prihaja iz Amerike in uničuje nasade oljk v Italiji (zanjo ni zdravila, drevesa je treba požgati), ali pa prav tako neozdravljiva zlata trsna rumenica, ki prizadene vinsko trto in jo širi prenašalec ameriški škržatek. »Na Havajih je papajin virus obročkaste nekroze zdesetkal nasade papaje, vendar je sodelavcem ene od ameriških univerz rastlino uspelo rešiti z genskim inženiringom. Pri nas gensko spremenjeni organizmi niso dovoljeni, zato smo znanstveniki pri reševanju takšnih katastrof včasih brez moči,« izpostavi dr. Grudnova.
Zato pa lahko raziskujejo za večino ljudi povsem nov pojem, kot je denimo imunski odziv rastline. Dr. Kristina Gruden: »Zanima nas, kakšne poskuse moramo še narediti, da bomo razumeli, kako bi rastline čim bolje pripravili na škodljivce: ali je treba v mešanico mikroorganizmov namočiti že semena, kakšna mora biti njihova koncentracija, kako morajo biti sestavljene mešanice mikroorganizmov itd.« Določanje, kateri mikroorganizmi so za rastlino koristni, poteka postopno. Najprej preverijo eno vrsto, potem drugo, nato testirajo kombinacije posameznih mikroorganizmov med seboj.
Pri delu si pomagajo z matematičnimi modeli, z njimi mikroorganizme razvrščajo v mreže ter tako ugotavljajo, kateri so za posamezno rastlino koristni in kateri škodljivi. Poleg interakcij med mikroorganizmi samimi preverijo tudi odnose z žuželkami oziroma insekti; slednji so večinoma za rastlino vsi škodljivi, z izjemo opraševalcev. Preveriti morajo na tisoče kombinacij v odnosih med rastlino, mikroorganizmi in žuželkami, tudi odnose s škodljivimi organizmi, ki škodijo drugim škodljivim organizmom, vendar pa so lahko koristni za rastlino.
S pomočjo koristnih mikroorganizmov bodo rastline bolj fit
Vse to preverjanje je pomembno, ker je treba zelo natančno določiti, katere mikroorganizme v nekem trenutku potrebujemo za zaščito posamezne rastline. »Pri nekaterih bioloških pripravkih se je pokazalo, da k boljši rasti rastlin ne pomagajo vsako leto, včasih ja, včasih pa ne, kar je s stališča kmeta, ki ima z nakupom takšnega gnojila stroške, neracionalno, saj mu ne daje več in boljšega pridelka, kot če gnojila sploh ne bi uporabil,« razloži dr. Grudnova.
Da bi to skrivnost dešifrirali, je treba natančno vedeti, kaj se v rastlini dogaja, ko je izpostavljena na primer določenim vremenskim razmeram in okoljskim stresom, hkrati pa sobiva s koristnimi organizmi in se brani pred škodljivimi. Molekularni biologi preverjajo, kako delujejo signalizacijske poti v rastlini – kaj se zgodi v korenini, ko jo doseže mikroorganizem, kako se zaradi prisotnosti mikroorganizma bolje zaščitijo listi, ki so najbolj izpostavljeni škodljivim žuželkam. Dr. Kristina Gruden: »Ugotavljamo, da dodajanje koristnih mikroorganizmov v zemljo v obliki gnojila vpliva tudi na to, da se okrepijo in zaščitijo listi rastline, ki so tako bolje pripravljeni na napad žuželk. Živi mikroorganizmi rastlini ne le omogočajo boljšo rast, kar je sicer naloga gnojil, pač pa tudi zaščito površinskih delov rastline, ki smo jih doslej lahko zaščitili le s pesticidi.«
Rastline se znajo varovati same, težava pa nastane, če so v sintezi strupov za svojo obrambo prepočasne ali strupa ne proizvedejo dovolj ter jih škodljivci prehitijo in požrejo.
Podobna filozofija velja pri plevelih, ki sami po sebi niso škodljivi za rastlino, vendar ji jemljejo svetlobo, mikrohranila in življenjski prostor. Ideja je, da bodo kmetijske rastline z dodajanjem koristnih mikroorganizmov bolj odporne, ker ne bodo poškodovane od bolezni in škodljivcev, kot takšne pa bodo lažje opravile tudi s pleveli, saj bodo v bitki za svoj prostor enostavno močnejše. »S pomočjo koristnih mikroorganizmov bodo rastline, tako kot ljudje s pomočjo vitaminov in prehranskih dopolnil, lahko več vlagale v svojo rast in odpornost, kar pomeni, da bodo na polju postale nepremagljive,« pripomni dr. Grudnova.
V povezavi z rastlinami je to gotovo nov način razmišljanja, ki pa bi ljudem moral biti blizu, saj sami po tem principu delujemo že tisočletja.
Rastline za svojo zaščito sintetizirajo zelo hude strupe
Rastline se na zaščito svojih delov zelo različno pripravijo. Same sintetizirajo vrsto strupenih snovi, s katerimi se borijo proti škodljivcem. »Strupi rastlinskega izvora sodijo med najhujše razpoložljive strupe. Vsi vemo, na primer, da so listi oleandra lahko smrtonosni. Ljudje pa zmotno mislijo, da je vse, kar je rastlinskega oziroma naravnega izvora, varno, pa to nikakor ne drži,« pojasni dr. Grudnova. Rastline se torej znajo varovati same, težava pa nastane, če so v sintezi strupov za svojo obrambo prepočasne ali strupa ne proizvedejo dovolj ter jih škodljivci prehitijo in požrejo. Koloradski hrošč je na rastlinske strupe odlično prilagojen, čeprav poje veliko krompirjevih listov, ki so polni strupenih alkaloidov, mu ne škodijo, saj ima sposobnost, da jih razgradi.
Med rastlinami in škodljivci se torej bije nam vsem zelo dobro znana bitka za čas.
»Prizadevamo si pripraviti mešanice mikroorganizmov, ki bi rastlini pomagale pri tem, da same hitreje proizvedejo strupe za zaščito pred škodljivimi žuželkami. Če bi nam to uspelo, sploh ne bi potrebovali drugih zaščitnih sredstev.« Kadar so škodljivci vseeno hitrejši, pa obstaja še možnost dodajanja živih organizmov, ki pojedo škodljivce, ko so ti že na rastlini. To so t. i. plenilske žuželke, kot so na primer pikapolonice ali določene vrste osic.
Obširnejši članek je bil objavljen v reviji Gea (februar 2021)
