Биофортификация цинком, железом и йодом суперфудов из микрозелени и листовых овощей путем их инокуляции Zn-солюбилизирующими, продуцирующими сидерофоры PGP-ризобактериями и йодированием при выращивании культур в микрокосмах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-26-00292

НазваниеБиофортификация цинком, железом и йодом суперфудов из микрозелени и листовых овощей путем их инокуляции Zn-солюбилизирующими, продуцирующими сидерофоры PGP-ризобактериями и йодированием при выращивании культур в микрокосмах

Руководитель Малева Мария Георгиевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова Продовольственная безопасность; биофортификация; микроэлементы; cолюбилизация цинка; хелатирование железа; йодирование; стимулирующие рост растений ризобактерии; исследование в микрокосмах; биодоступность; суперфуд; микрозелень и листовые овощи

Код ГРНТИ68.03.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы продовольственной безопасности, связанной с хроническим дефицитом важнейших эссенциальных микроэлементов в рационе питания человека. Важной составляющей здорового образа жизни является повседневное потребление зеленных культур (суперфуды), содержащих клетчатку, витамины, макро- и микроэлементы и др. Цель проекта – разработка научных основ и методологии микробиологической биофортификации микрозелени и листовых овощей цинком, железом и йодом с использованием безопасных PGP ризобактерий. В основе проекта лежит новая научная идея о возможности использования Zn-солюбилизирующих и Fe-хелатирующих PGP-ризобактерий, выделенных из загрязненных цинком/железом территорий Свердловской и Челябинской областей (Россия), для стимуляции роста, повышения продуктивности и биологической ценности суперфудов с применением дополнительного йодирования путем внекорневого опрыскивания. Актуальность темы заявляемого проекта обусловлена тем, что в настоящее время как в развитых, так и развивающихся странах, значительная часть населения страдает от микронутриентной недостаточности. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ, 2022 г.), цинк, железо и йод являются тремя наиболее важными микроэлементами с точки зрения глобального общественного здравоохранения, и их дефицит приводит к серьезной угрозе здоровью и развитию населения во всем мире, особенно детей и беременных женщин. В связи с этим поиск безопасных источников эссенциальных элементов и разработка биопрепаратов, обладающих способностью обеспечивать продовольственную безопасность, приобретают особую значимость. Впервые три наиболее важных микроэлемента (Zn, Fe и I) будут использованы для биообогащения суперфудов из зеленных культур на территории России для улучшения здоровья местного населения с использованием PGPR. Реализация проекта позволит получить новые знания об эффективности превращения связанных Zn и Fe в биодоступные формы с помощью Zn-солюбилизирующих и Fe-хелатирующих (за счет продукции сидерофоров) ризобактерий и получить новую информацию об изменении физико-химических свойств почв после внесения PGPR и йода. Впервые будут получены данные об эффективности сочетанной биофортификации микрозелени и листовых овощей с использованием трех эссенциальных микроэлементов (Zn-Fe-I). Реализация проекта будет способствовать не только решению проблемы рационального питания населения России, обусловленной хроническим дефицитом важнейших микроэлементов, но и позволит также снизить экологические риски и экономические затраты, связанные с использованием в аграрном секторе химических микроудобрений и пестицидов. Запланированные исследования дадут возможность разработать научно-обоснованные рекомендации по созданию биопродукта с новыми уникальными свойствами, который может быть использован агропредприятиями малого и среднего бизнеса при выращивании зеленных культур с повышенным содержанием эссенциальных микроэлементов. Потребление биообогащенных суперфудов будет способствовать укреплению иммунитета и в целом улучшать здоровье у населения. Кроме того, дополнительное обогащение йодом уменьшит зависимость от морепродуктов, что является серьезной проблемой в РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Борисова Г.Г., Воропаева О.В., Малева М.Г., Кумар А., Трипти Оценка ростостимулирующих свойств ризобактерий Bacillus sp. и их влияние на морфофизиологические характеристики рапса Аграрный вестник Урала, № 7 (236), С. 2-13 (год публикации - 2023)
10.32417/1997-4868-2023-236-07-2-13

2. Кумар А., Трипти, Малева М., Борисова Г. Potential of plant growth promoting rhizobacteria for enhancing lignocellulosic biomass and its utilization for biochar and biofuel production "Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений" (PLANTGEN 2023): тезисы докладов / Под ред. A.A. Калачева, Т.А. Горшковой, М.Л. Пономаревой; ФИЦ «КазНЦ РАН». Издательство "ФЭН", Казань, С. 226 (год публикации - 2023)

3. Трипти, Кумар А., Борисова Г., Малева М. Deciphering zinc solubilizing and siderophore producing plant growth promoting rhizobacteria for biofortification of microgreens "Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений" (PLANTGEN 2023): тезисы докладов / Под ред. A.A. Калачева, Т.А. Горшковой, М.Л. Пономаревой; ФИЦ «КазНЦ РАН». Издательство "ФЭН", Казань, С. 413 (год публикации - 2023)

4. Малева М.Г., Борисова Г.Г., Воропаева О.В., Чукина Н.В., Тугбаева А.С., Трипти Биоудобрение на основе РGР-ризобактерий Buttiauxella noackiae и биочара повышает устойчивость рапса к действию меди и способствует его биофортификации VI Всероссийская научная конференция с международным участием «Устойчивость растений и микроорганизмов к неблагоприятным факторам среды», тезисы доклада. Издательство: Иркутский государственный университет, Иркутск, С. 133 (год публикации - 2023)
978-5-9624-2170-4.2023.1-228

5. Борисова Г.Г., Подставкина А.В., Воропаева О.В., Малева М.Г., Трипти Влияние цинка на ростстимулирующие свойства изолятов ризобактерий Pseudomonas sp. Экология родного края: проблемы и пути их решения: материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (г. Киров, 24–25 апреля 2023 г.). Издательство: Вятский государственный университет, Киров, Том Книга 2, С. 138-142 (год публикации - 2023)

6. Кумар А., Трипти, Борисова Г.Г., Малева М.Г., Салата А.А. Bacterial biofertilizer for biofortification and enhancing biomass production of Brassica napus L. Материалы докладов XXX Всероссийской молодежной научной конференции (с элементами научной школы), посвященной 300-летию Российской академии наук (г. Сыктывкар, 20–24 марта 2023 г.). Издательство: ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, С. 221-224 (год публикации - 2023)
10.5281/zenodo.8406195

7. Малева М.Г., Борисова Г.Г., Трипти, Кумар А., Собенин А.В. Влияние биоудобрения на биомассу и содержание низкомолекулярных антиоксидантов у Brassica oleracea при биофортификации медью Субтропическое и декоративное садоводство, Вып. 84, C. 130-142 (год публикации - 2023)
10.31360/2225-3068-2023-84-130-142

8. Борисова Г.Г., Малева М.Г., Кумар А., Ахамуэфуле К.Ч., Трипти Биоудобрение на основе биочара и толерантных к меди PGPR Bacillus aerophilus TR15c способствует биофортификации рапса X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы конференции, С. 72 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Одним из наиболее перспективных подходов к решению проблемы сбалансированного питания населения является биофортификация или обогащение растительного сырья дефицитными макро- и микроэлементами, а также биологически активными соединениями и антиоксидантами. Целью проекта является разработка научных основ и методологии микробиологической биофортификации зеленных культур цинком, железом и йодом с использованием ростстимулирующих ризобактерий (PGPR). Были использованы Zn-солюбилизирующие и Fe-хелатирующие PGPR, выделенные на загрязненных Zn и Fe территориях Челябинской и Свердловской областей, для стимуляции роста, повышения продуктивности и биологической ценности суперфудов с дополнительным йодированием путем внекорневого опрыскивания. В начале 2-го этапа реализации проекта нами была поставлена задача протестировать ранее отобранные 10 штаммов PGPR совместно с обработкой йодом (в форме KI или KIO3) на модельных культурах. Первоначально они были протестированы на пшенице мягкой озимой (Triticum aestivum L., сорт «Еланчик») с целью оценки их влияния на всхожесть и жизнеспособность семян на чашках Петри, что позволило отобрать 4 наиболее перспективных: Pseudomonas sp. CTF2, Bacillus sp. CTF3, Pantoea sp. STF1, Pseudomonas sp. STF1. Далее влияние этих штаммов было изучено на других модельных культурах, таких как горох посевной (Pisum sativum L., сорт «Мадрас») и маш (Vigna radiata (L.) R. Wilczek, сорт «Графиня»). Поверхностно простерилизованные семена модельных растений инокулировали отдельными штаммами PGPR (10^8 КОЕ/мл) в течение 2 ч и оценивали их всхожесть на чашках Петри (до 5 дней). Дополнительно со 2-го дня инкубации часть семян опрыскивали 0,01% раствором йодида или йодата калия. Среднее время прорастания всех модельных культур практически не различалось и составляло около 2 сут. Процент всхожести семян к концу инкубации также достоверно не отличался и варьировал в среднем от 84% – у маша до 95% – у пшеницы и гороха. Проведение экспериментов в условиях гидропоники (14 дней) показало, что селективные штаммы, как правило, увеличивали надземную биомассу и индекс жизненной энергии проростков по сравнению с контролем (в среднем на 18%). Внекорневая ежедневная обработка йодом с 7-дня вегетации достоверно не влияла на биомассу и жизненную энергию микрозелени пшеницы и маша, однако улучшала эти показатели у гороха. При инокуляции семян всех культур содержание хлорофиллов повышалось по сравнению с неинокулированным контролем в среднем на 21%, а количество каротиноидов – в 1,4 раза. Наибольшим содержанием фотосинтетических пигментов отличались CTF2- и STF13-проростки. Йодирование микрозелени, как правило, увеличивало содержание фотосинтетических пигментов. Обработка KI увеличивала содержание йода у пшеницы в среднем в 7 раз, у гороха – в 17 раз и у маша – в 14 раз. При опрыскивании KIO3 содержание йода в микрозелени этих видов повышалось в 5, 13 и 11 раз, соответственно. Горшечные эксперименты (21 день) проводили на примере пшеницы, гороха и горчицы сарепской салатной (Brassica juncea (L.) Czern, сорт «Частушка»). Опрыскивание сеянцев 0,01% раствором KI/KIO3 проводили через день, начиная с 7-дня вегетации. Инокуляция семян в большинстве случаев не влияла на длину 21-дневных сеянцев. У всех PGPR-сеянцев сырая биомасса была больше, чем в контроле (в среднем на 20%). Очевидно, это связано с ростом доступности для растений важнейших нутриентов под влиянием PGPR, а также проявлением ими других PGP-свойств. В большинстве случаев йодирование не влияло на длину и биомассу сеянцев. Инокуляция PGPR увеличивала содержание фотосинтетических пигментов в листьях пшеницы и гороха (в среднем на 18%). Заражение семян горчицы PGPR в большинстве случаев не влияло на содержание Хл а и каротиноидов, но увеличивало количество Хл b (в среднем на 14%). У всех обработанных йодом сеянцев содержание фотосинтетических пигментов достоверно повышалось. Инокуляция PGPR практически не влияла на уровень продуктов перекисного окисления липидов (МДА) в листьях модельных культур. Опрыскивание йодом, особенно в форме йодида, способствовало его снижению. Содержание пролина в листьях пшеницы и гороха в большинстве случаев не менялось, в то время как растворимых фенолов –увеличивалось. Заражение семян горчицы достоверного влияния на содержание пролина и фенолов не оказывало. Однако у всех видов инокуляция PGPR приводила к увеличению содержания флавоноидов (в среднем в 1,5 раза). Опрыскивание йодом способствовало еще большему их накоплению. Дисперсионный анализ (ANOVA) подтвердил высокую значимость влияния инокуляции PGPR и/или обработки йодом на многие морфофизиологические параметры модельных культур. Опрыскивание сеянцев, выращенных в горшечных экспериментах, KI повышало содержание йода в надземной биомассе пшеницы в 4 раза, гороха – в 8 раз, а горчицы – в 10 раз. При обработке KIO3 содержание йода в сеянцах повышалось в 3, 4 и 8 раз, соответственно. Как и в гидропонной культуре, йодид калия усваивался растениями лучше по сравнению с йодатом. PGPR-инокуляция пшеницы приводила к достоверному увеличению содержания NPК (в среднем на 15%), а также Fe (в 1,4 раза) и Zn (в 1,8 раз) в надземной биомассе. Более значимым накоплением K, Fe и Zn отличались CTF2 и STF13-сеянцы, в том время как по влиянию на содержание N и P различия между штаммами не обнаружены. У всех PGPR-сеянцев гороха содержание NPK в среднем было выше на 17%, а Fe и Zn – на 30%, по сравнению с контролем. Заражение семян горчицы увеличивало содержание в сеянцах N и P в среднем в 1,3 раза. При этом содержание Zn было выше на 17%, а К и Fe практически не менялось. Содержание общего азота и железа в почве после вегетации растений достоверно не менялось, доступных фосфатов и цинка – увеличивалось, а калия – снижалось. Таким образом, результаты исследований в микрокосмах свидетельствуют о достаточно высокой эффективности биофортификации культурных растений (выращенных как в условиях гидропоники, так и горшечных опытах) при инокуляции семян селективными штаммами PGPR, в сочетании с внекорневым опрыскиванием раствором йода. Заражение семян модельных культур не только увеличивало содержание Fe, Zn и I в надземной биомассе, но и, как правило, повышало количество NPK. Более того, при инокуляции в листьях растений увеличивалось содержание хлорофиллов, каротиноидов и фенольных соединений, что существенно повышает биологическую ценность зеленных культур. Наилучший эффект был получен при заражении семян штаммами рода Pseudomonas sp. (CTF2 и STF13), поэтому их 16S рРНК последовательности были зарегистрированы в базе NCBI с присвоением регистрационных номеров PQ452298 (CTF2) и PQ686311 (STF13). В дальнейшем отобранные PGPR можно использовать в качестве биоресурса для улучшения роста листовых овощей и других зеленных культур, а также их обогащения биогенными элементами и биологически активными веществами. https://urfu.ru/ru/news/52261/; https://life.ru/p/1681588; https://www.gazeta.ru/science/news/2024/08/22/23747857.shtml

Публикации

1. Малева М.Г., Борисова Г.Г., Дарказанли М., Собенин А.В. Эффективность использования цинк-солюбилизирующих pостстимулирующих ризобактерий для улучшения роста и биофортификации сеянцев Triticum aestivum Journal of Agriculture and Environment, Выпуск № 11 (51) (год публикации - 2024)
10.60797/JAE.2024.51.9

2. Малева М., Борисова Г., Тугбаева А., Ильин В., Кумар А. Zinc Solubilizing PGPR Strain Pseudomonas sp. CTF2 with Foliar Iodine Application Enhances Growth and Biofortification of Pea Seedlings Microbiology, Vol. 93, Suppl. 1, pp. S82–S86 (год публикации - 2024)
10.1134/S0026261724609333

3. Борисова Г. Г., Малева М.Г., Дарказанли М., Собенин А.В., Карпухин М.Ю. Влияние Zn-солюбилизирующих PGP-ризобактерий на рост и содержание биогенных элементов в сеянцах пшеницы озимой в условиях микрокосма Аграрный вестник Урала, Т. 24, № 12. С. 1636-1647 (год публикации - 2024)
10.32417/1997-4868-2024-24-12-1636-1647

4. Малева M.Г., Борисова Г.Г., Ахамуэфуле К.Ч., Салата A., Дорофеев А.М. Оценка биофортификационного потенциала Zn-солюбилизирующих PGP-ризобактерий при внекорневой подкормке Pisum sativum L. pазными формами йода PLAMIC2024, Материалы IV Международной научной конференции «Растения и микроорганизмы: биотехнология будущего» и III Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы адаптации микроорганизмов к различным условиям среды обитания». Иркутск, 2024, Издательство: Издательство ИГУ, 2024. - 444 с. , С. 258-261 (год публикации - 2024)

5. Малева М. Г., Авраменко А. В., Воропаева О. В., Борисова Г. Г. Влияние силикатных PGP-ризобактерий на параметры роста Spinacia oleracea в зависимости от содержания азота Материалы Всероссийской научной конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И ФАРМАЦИИ», 22-24 мая 2024 года, г. Йошкар-Ола, С. 1-3 (год публикации - 2024)

6. Малева М., Борисова Г., Трипти, Тугбаева А., Ахамуефуле К., Салата А., Кумар А. Biofortification of pea microgreens through zinc-solubilizing bacteria inoculation with foliar iodine application The Journal "Agriculture and Forestry", Vol. 70, № 2, P. 123-134 (год публикации - 2024)
10.17707/AgricultForest.70.2.9

7. Борисова Г., Малева М., Трипти, Воропаева О., Чукина Н., Тугбаева А., Кумар А. Amalgamation of metal tolerant PGPR Buttiauxella sp. EA20 with birch wood biochar enhanced growth and biofortification of rapeseed under copper action Frontiers in Bioscience-Elite (Elite Ed), Vol. 16, № 4, 34 (год публикации - 2024)
10.31083/j.fbe1604034

8. Ахамуэфуле К.Ч., Майорова Е.А., Малева М.Г. Влияние Zn-солюбилизирующих и сидерофор продуцирующих PGP-ризобактерий на рост микрозелени горчицы Материалы III международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты микробиологии в науке и образовании» (27-28 мая 2024 года) / Под ред. А.И. Новак, О.В. Евдокимовой, Е.П. Котелевец, ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России. – Рязань, 2024. – 144 с., С. 83-87 (год публикации - 2024)

9. Малева М.Г., Борисова Г.Г., Ахамуэфуле К.Ч., Салата А., Дарказанли М. Влияние цинк-солюбилизирующих PGP-ризобактерий и опрыскивания йодом на редокс-реакции в листьях гороха (Pisum sativum L. сорт Мадрас) Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 339 с., С. 179-186 (год публикации - 2024)

10. Малева М.Г., Дарказанли М., Борисова Г.Г., Ильин В.А., Кумар А. Инокуляция цинк-солюбилизирующими PGP-ризобактериями совместно с опрыскиванием йодом как эффективная агротехнология для биообогащения сеянцев пшеницы Экспериментальная биология растений и климатические вызовы [Текст: электронный ресурс]: тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием. Годичное собрание Общества физиологов растений России (3–8 октября 2024 г., Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия) / Под ред. М.Г. Малевой, И.С. Киселевой, Г.Г. Борисовой. – Электрон. дан. (1 файл : 18,5 Mб). – Екатеринбург : ИЗДАТЕЛЬСТВО АМБ, 2024. – Режим доступа: ссылка на файл в электронной библиотеке. https://ekbofr2024-insma.urfu.ru/ru/, С. 192 (год публикации - 2024)

11. Малева М., Борисова Г., Ахамуэфуле К., Дарказанли М., Кумар А. Effect of PGPR Arthrobacter sp. CTF1 and foliar iodine spraying on pea microgreens growth in hydroponic culture BIO Web of Conferences , Vol. 121, 02008 (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202412102008

Возможность практического использования результатов
Согласно документу «Прогноз научно-технологического развития России: 2030. Биотехнологии», скрининг микроорганизмов и поиск новых пробиотиков и синбиотиков, характеристика структуры и свойств продуцируемых ими биологически активных соединений является одной из важнейших стратегий, способствующих получению функциональных продуктов питания. Поставлена также задача «Исследование геномов молочнокислых бактерий, поиск, селекция и создание высокоактивных штаммов молочнокислых и других технологических микроорганизмов с заданными биологическими свойствами и оптимизированными характеристиками». Скрининг изолятов PGPR и комплексный подход к проведению исследований по реализации проекта позволил выявить 2 наиболее эффективных штамма рода Pseudomonas sp. (CTF2 и STF13). Их 16S рРНК последовательности были зарегистрированы в базе NCBI с присвоением регистрационных номеров PQ452298 (CTF2) и PQ686311 (STF13). В дальнейшем отобранные штаммы можно рекомендовать к использованию как коммерческого продукта для улучшения роста листовых овощей и других зеленных культур, а также их биообогащения биогенными элементами и биологически активными веществами, при выращивании в условиях гидропоники, торфогрунта или других субстратов в тепличных хозяйствах или сити-фермах на государственных предприятиях, а также предприятиях мелкого и среднего бизнеса.