Jak mikroorganizmy kształtują zdrowie upraw? Pionierskie badania prof. Frąc

Mikroorganizmy niewidoczne gołym okiem mogą zdecydować, czy plantacja przetrwa suszę, poradzi sobie z chorobami i da plon wysokiej jakości. Prof. Magdalena Frąc z Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie, która w tym roku została członkinią korespondentką Polskiej Akademii Nauk, bada, jak ten ukryty świat gleby i roślin wykorzystać w praktyce

Koncepcja holobiontu traktuje roślinę i zasiedlające ją mikroorganizmy jako jeden funkcjonalny organizm, w którym korzenie, pędy i liście współpracują z bakteriami i grzybami. Prof. Frąc jest jedną z pionierek badań nad holobiontem nadziemnych części roślin rolniczych, ogrodniczych i zielarskich. Zajmuje się zarówno mikrobiomem gleby, jak i mikrobiotą surowców roślinnych oraz odpadów z produkcji ogrodniczej i rolnej.

W kierowanym przez nią projekcie NCN OPUS zespół przygląda się mikrolistkom.  To młode rośliny zbierane między 8. a 20. dniem po wysianiu, cenione za wysoką wartość odżywczą, ale bardzo nietrwałe. Badacze izolują i charakteryzują bakterie probiotyczne oraz dobroczynne grzyby, które mogłyby zasiedlić cały holobiont mikrolistków – od korzeni po część nadziemną – i zwiększyć ich odporność oraz trwałość po zbiorze. Grzyby mają zwiększać powierzchnię chłonną korzeni i tolerancję na suszę, a bakterie działać jak probiotyki roślinne, przemieszczające się wewnątrz rośliny. Badania prowadzone są aktualnie na mikrolistkach bazylii, kolendry, buraka i rzodkiewki. Celem jest stworzenie rozwiązań dla rolnictwa miejskiego i wertykalnego, gdzie rośliny rosną w halach z precyzyjnie kontrolowanym mikroklimatem.

Drugim ważnym kierunkiem badań prof. Magdaleny Frąc jest mikrobiom glebowy w różnych agroekosystemach i przełożenie tej wiedzy na praktykę. W projekcie z programu Nauka dla Społeczeństwa zespół tworzy bazę danych mikrobiomu około 70 gatunków roślin i ich gleb. Próbki pobiera się zarówno z upraw zdrowych, jak i dotkniętych chorobami lub stresem. Powstają w ten sposób profile mikrobiomu obejmujące korzenie i części nadziemne. Na ich podstawie tworzona jest aplikacja mobilna dla rolników, studentów i nauczycieli. Po wybraniu gatunku użytkownik zobaczy: charakterystykę rośliny, uproszczone wykresy dominujących grup mikroorganizmów, porównanie mikrobiomu roślin zdrowych i chorych, słowniczek pojęć (mikrobiom, symbiotrofy, saprotrofy, probiotyki roślinne). Docelowo na bazie przeprowadzonych badań będą mogły powstać narzędzia, będące elementem systemów wczesnego ostrzegania, sygnalizujących problemy z glebą, zanim objawy chorobowe staną się widoczne.

Prof. Frąc jest również zaangażowana w projekt LEGUМINOSE w programie Horyzont Europa, którego celem są badania i upowszechnienie intercroppingu, czyli upraw współrzędnych zbóż i roślin bobowatych. W Europie zakładane są doświadczenia polowe oraz „on-farm living labs” prowadzone z rolnikami. W różnych krajach testuje się mieszanki: owsa z grochem, pszenicy z soją, jęczmienia z łubinem, traw z koniczyną czy innych kombinacji roślin istotnych dla danego regionu. Zespół prof. Frąc bada, jak intercropping zmienia mikrobiom gleby i roślin oraz jak przebiega transfer mikrobioty bakteryjnej i grzybowej, w tym korzystnych mikroorganizmów między gatunkami roślin w obrębie nisz ekologicznych holobiontu roślinnego. Dane są analizowane przy użyciu technik biologii molekularnej i modeli opartych na sztucznej inteligencji. W przyszłości posłużą do tworzenia interaktywnych narzędzi doradczych, ułatwiających rolnikom dobór odpowiednich mieszanek roślin i sposobów gospodarowania glebą.

Na podstawie wieloletnich analiz mikrobiomu gleby zespół prof. Frąc opracowuje biostymulatory i mikrobiologicznie wzbogacone nawozy. To preparaty bazujące na specjalnie dobranych szczepach mikroorganizmów, które jednocześnie wspierają wzrost roślin i chronią je przed chorobami. W centrum uwagi są m.in.:  grzyby z rodzaju Trichoderma oraz bakterie z rodzajów Pseudomonas, Rhodococcus, Arthrobacter, Bacillus i Paenibacillus. Pełnią one rolę naturalnych antagonistów patogenów oraz stymulatorów wzrostu. Część opracowanych rozwiązań jest już opatentowana i skomercjalizowana.

Równolegle zespół pracuje nad narzędziami, które przy pomocy danych o mikrobiomie pozwolą określić potencjał produkcyjny gleby pod konkretne uprawy — od pszenicy po ogórki, truskawki czy maliny. Algorytmy SI będą wskazywać, kiedy najpierw „ulepszyć” mikrobiom, by uprawa miała szansę powodzenia.

– Mikrobiologia fascynuje mnie od czasów studenckich. Już pracując nad pracą magisterską wiedziałam, że to mój kierunek. To, czego nie widać, a co może wspierać rolnictwo, ogrodnictwo i biotechnologię, zawsze mnie zachwycało – mówi Academii prof. Frąc.  Podkreśla kluczową rolę nowoczesnych metod biologii molekularnej, które pozwalają badać złożone społeczności mikroorganizmów bez ich hodowania. – Te techniki pozwalają nam rozpoznać mikrobiomy trudnych środowisk, takich jak gleba, i elementy holobiontu roślinnego, bez konieczności wcześniejszej izolacji mikroorganizmów – dodaje.

Przyznaje też, że jej praca jest pasją: – Kocham to, co robię. Podobno ci, którzy wykonują pracę, którą lubią, nie przepracowali ani jednego dnia. Coś w tym jest.

Badania, które prowadzi prof. Frąc, mogą sprawić, że rolnictwo przyszłości będzie mniej zależne od chemii, bardziej odporne na zmiany klimatu i oparte na lepszym zrozumieniu niewidzialnych sprzymierzeńców roślin w glebie.

• Nauki biologiczne i rolnicze