CC BY
58
УДК / UDK 635.655:631.524.84:579.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЦК- УТИЛИЗИРУЮЩИХ РИЗОБАКТЕРИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ И СЕМЕННОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ
СОИ
USE OF ACC-UTILIZING RIZOBAKTERIA FOR THE INCREASE OF PHOTOSYNTHESIS AND SEED PRODUCTION OF SOYBEAN Тычинская И.Л., научный сотрудник Tychinskaya I.L., researcher Орловский государственный аграрный университет, Орел, Россия Orel State Agrarian University, Orel City, Russia
E-mail: [email protected]
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
соя, сорт, АЦК-утилизирующие ризобактерии, симбиоз, фотосинтез, урожайность.
KEY WORDS
soybean, grade, ACC-utilizing rizobacteria, symbiosis, photosynthesis, productivity.
Продуктивность любого агрофитоценоза, главным образом, определяется динамикой формирования и эффективностью функционирования фотосинтетического аппарата культурных растений. Поэтому управление процессом фотосинтеза является одним из наиболее эффективных путей повышения урожайности сельскохозяйственных культур [1, 2].
В ряду факторов повышения эффективности фотосинтетической деятельности агроценозов наиболее важным и трудно регулируемым является солнечная радиация. В связи с чем, повышение продуктивности посевов путем увеличения использования солнечной радиации в процессе фотосинтеза является актуальной проблемой современного земледелия [3, 4].
В решении данной проблемы большое значение имеет разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий возделывания культур, основанных на максимальной реализации биологического потенциала растений и почвы при уменьшении воздействия химико-техногенных факторов интенсификации растениеводства. Вместе с тем использование микробиологического подхода при выращивании культур сповышеннойсимбиотрофностью представляет особую актуальность.
Результаты проведенных научных исследований показывают реальную возможность усиления фотосинтетической деятельности и продуктивности бобовых растений за счет использования биопрепаратов на основе полезной симбиотической микрофлоры [5 - 10].
В этой связи практическое применение новых микроорганизмов с полифункциональными свойствами, которые позволят повысить хозяйственную эффективность возделывания зернобобовых культур за счет повышения эффективности фотосинтеза при сокращении применения минеральных удобрений является весьма перспективным. При этом особый интерес в условиях изменяющегося климата представляет использование АЦК-
утилизирующих ризобактерий, обладающих универсальным антистрессовым эффектом на растения [11-14].
Целью наших исследований было изучение влияния перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий на фотосинтетическую и семенную продуктивность различных сортов сои северного экотипа в зависимости от уровня минерального питания растений в условиях Орловской области.
Лабораторные исследования проводились в ЦКП НО «Экологический и агрохимический мониторинг сельскохозяйственного производства и среды обитания»Орловский ГАУ, а полевые опыты закладывались в НОПЦ «Интеграция» (Орловский р-н, п. Лаврово) в 2013-2015 годах.
Объектом исследований служили два раннеспелых сорта сои районированных по 5 региону: Свапа (селекция ВНИИЗБК) и Бара (селекция ООО Компания «Соевый комплекс», г. Краснодар). Растения выращивались в селекционном севообороте на делянках площадью 10 м2в четырехкратной повторности. Метод размещения опытных делянок - рендомизированный. Предшественник - черный пар. Почва опытногоучастка серая лесная, слабокислая (рН - 5,0) средним содержанием гумуса (3,8%), со средним содержанием фосфора (12,9мг/100г почвы) и калия (15,9мг/100 г почвы).
Микробные препараты, используемые в опытах:производственный штамм клубеньковых бактерий B. japonicum 634б, а также перспективные штаммы ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью Pseudomonas oryzihabitans Ер4 и Variovorax paradoxus 3P-4. Штаммы микроорганизмов предоставлены Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург - Пушкин).
Инокуляция семян клубеньковыми бактериями производилась в день посева из расчета 200 г на гектарную норму семян, штаммы Pseudomonas EP4 и Variovorax 3P-4 вносили в фазу всходов (10% р-р). В опыте использовали 2 фона минерального питания растений - NPK100% (доза удобрений на планируемый урожай 3 т/га) и NPK70%. Минеральные элементы вносили в виде тукосмеси с процентным содержанием NPK10:26:26. Опыты закладывались по следующей схеме:
1. Контроль*
2. Штамм634б**
3. Pseudomonas ***
4.Variovorax****
5. Штамм634б+Pseudomonas
6. Штамм634б+Variovorax
* - контроль (без использования микроорганизмов, фон NPK (100 и 70%)) ** - штамм клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum 634б *** - штамм ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью Pseudomonas oryzihabitans EP4
**** - штамм ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью Variovorax paradoxus 3P-4
Анализ функционального состояния фотосинтетического аппарата сортов проводили методом регистрации индукции флуоресценции хлорофилла листьев у интактных растений с использованием портативного прибора Mini-PAM немецкой фирмы Walz (Bilger&Schreiber, 1995). Площадь
ассимиляционной поверхности листьев учитывалась весовым методом с помощью фотопланиметра Li-3000C. Фотосинтетический потенциал (ФП) определяли по методике Ничипоровича А.А. и др. [15]. Интенсивность фотосинтеза (ИФ) определяли на интактных растениях в режиме реального времени с помощью портативного газоанализатора марки Li-COR - 6400 по оригинальной методике фирмы Li-COR. Уровень использования солнечной радиации посевами (КПД ФАР) рассчитывали, используя формулу Х.Г Тооминга [16]. Урожайность сои определяли путем взвешивания зерна, убранного с каждой делянки прямым комбайнированием. Полученные данные обработаны с помощью компьютерной программы «Statistica».
Метеорологические условия в годы исследований отклонялись от среднемноголетних данных и сопровождались неравномерным распределением осадков и колебанием температуры воздуха на протяжении всего вегетационного периода сои. Влагообеспеченность посевов в критические периоды развития культуры была недостаточной. Например, II декада мая 2013 года, на которую приходился сев сои, характеризовалась засушливыми условиями,при этом в третьей декаде мая, выпала двойная норма осадков, что привело к уплотнению почвы и образованию почвенной корки, т.е. способствовало неравномерному появлению всходов. В сентябре количество осадков превысило среднее многолетнее значение в 2 раза, что привело к задержке созревания семян и увеличению периода вегетации, а также создало трудности, связанные с уборкой урожая. Для 2014 года были характерны засушливые условия, которые наиболее ярко начали проявляться во второй декаде июля, пришедшейся на фазу цветения культуры, и продолжались вплоть до уборки урожая. 2015 год сопровождался достаточно сухой и теплой погодой. Так для I декады июня были характерны засушливые условия, осадков выпало в 1,9 раза меньше декадной нормы, а температура воздуха превысила среднее многолетнее значение на 130С. Это привело к сокращению продолжительности фаз развития растений (цветение, созревание) и повлияло на уменьшение количества бобов и семян, что отрицательно сказалось на величине урожайности.
Результаты наших исследований показали, что изменение режима питания растений за счет применения АЦК-утилизирующих ризобактерий и удобрений оказало стимулирующее действие на фотосинтетическую деятельность различных сортов сои при изменении как биометрических, так и функциональных параметров листьев. При этом реакция сортов на факторы интенсификации была неодинаковой.
Так, у сорта Бара максимальное увеличение площади листьев было отмечено в результате совместного использования ризобий и ассоциативных ризобактерий в независимости от минерального фона, что превысило контрольный уровень в среднем 1,5 раза (табл. 1).
Таблица 1. Площадь листьев у различных сортов сои в зависимости от условий выращивания, см2/раст. (фаза цветения), среднее за 2013-2015гг.
Варианты Свапа Бара
NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70%
1. Контроль 509,40 418,83 694,65 640,92
2. Штамм 634б 648,58 850,85 651,82 765,57
3. Pseudomonas 602,66 686,98 976,77 833,55
4. Variovorax 670,15 651,90 766,03 730,13
5. Штамм 634б + Pseudomonas 769,88 739,52 1012,41 943,35
6. Штамм 634б + Variovorax 642,33 674,04 948,51 968,52
Тогда как сорт Свапа на полном минеральном фоне формировал наиболее крупный фотосинтетический аппарат в результате комплексной интродукции клубеньковых бактерий и псевдомонад, а при сокращении дозы NPK на 30% был наиболее отзывчив на моноинокуляцию ризобиями, которые позволили увеличить площадь листьев в 2 раза по сравнению с контролем.
Улучшение условий питания растений за счет активизации растительно-микробных взаимодействий (РМВ) также способствовало повышению их фотосинтетического потенциала, изменение которого находилось в прямой корреляции с изменением площади ассимиляционной листовой поверхности (табл. 2).
Таблица 2. Фотосинтетический потенциал различных сортов сои в зависимости от условий выращивания, м2*дней, (фаза цветения), среднее за 2013-2015 гг.
Варианты Свапа Бара
NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70%
1. Контроль 6,12 4,81 7,79 9,07
2. Штамм 634б 7,96 9,77 7,38 11,84
3. Pseudomonas 6,87 8,00 11,39 12,29
4. Variovorax 7,76 7,37 9,72 10,75
5. Штамм 634б + Pseudomonas 9,38 9,13 13,81 15,01
6. Штамм 634б + Variovorax 7,96 8,64 11,31 15,25
Так, например, за три года исследований у сортов Бара и Свапа на полном минеральном фоне величина фотосинтетического потенциала в варианте с комплексным внесением ризобий и ризобактерий рода Pseudomonas увеличилась на 77,3 и 53,3%, соответственно, по сравнению с контролем.
Согласно современным представлениям, фундаментом фотосинтеза являются первичные фотохимические реакции. Поэтому, с целью получения информации о функциональном состоянии фотосинтетического аппарата растений в зависимости от изменения условий питания, нами были изучены параметры квантового выхода фотосистемы II (ФС II) листьев сортов сои (Yield) (рис. 1).
У сорта Свапа на фоне NPK70% максимальная функциональная активность ФС II листьев, была отмечена в варианте с комплексным использованием клубеньковых и ассоциативных бактерий рода Variovorax, превысившая контрольный показатель в 1,2 раза. Тогда как при внесении полной дозы NPK наиболее высокую скорость фотохимических реакций в листьях обеспечила моноинокуляция ризобиями.
У сорта Бара на фоне NPKlo0% в ответ на совместную интродукцию штамма 634б и АЦК-утилизирующих ассоциативных бактерий рода Pseudomonas, наряду с увеличением площади листьев произошло максимальное повышение эффективности их работы, при этом абсолютное значение квантового выхода увеличивалось на 11%, по сравнению с контролем (рис. 2).
0.800 0.750 0.700 0.650
■а
2 0.600 0.550 0.500 0.450 0.400
I Свапа NPK 100% ■ Свапа NPK 70%
1в. - Контроль, 2в. - Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax
Рисунок 1 - Функциональная активность ФС II листьев сои Свапа в зависимости от факторов регуляции РМВ (фаза цветения),среднее за 2013-2014гг.
0.800
0.750
0.700
0.650
.Si 0.600
0.550
0.500
0.450
0.400
1Бара NPK100%
1Бара NPK 70%
1в. - Контроль, 2в. - Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax
Рисунок 2 - Функциональная активность ФС II листьев сои Бара в зависимости от факторов регуляции РМВ (фаза цветения), среднее 2013-2014 гг.
В 2015 году генотипический интервал варьирования интенсивности фотосинтеза листьев сои в фазу цветения в зависимости от факторов интенсификации находился в пределах 0,3 - 2,7 ^то! CO2/m2S (рис. 3).
CBanaNPK70%
Бара№К70%
S О
3 2.5 2 1.5
о
t 1
0.5 0
1в.
2в.
3в.
4в.
5в.
6в.
*1в. - Контроль, 2в. - Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Достоверно при *Р0<0,05
Рисунок 3 - Интенсивность фотосинтеза различных сортов сои в зависимости от условий выращивания, ^mol CO2/m2s (фаза цветения), 2015г.
Сорт Бара на фоне NPK70% отличался максимальной интенсивностью фотосинтеза, превышая сорт Свапа по данному показателю в 2,6 раза. При этом наибольшей активностью поглощения молекул СО2 листья данного сорта характеризовались в варианте скомплексным использованиемризобий и бактерий рода Variovorax. Благодаря изменению параметров мезоструктуры листьев сои и их функциональной активности посредством интродукции различных групп симбиотических микроорганизмов нам удалось повысить уровень использования агроценозами солнечной энергии (табл. 3).
Таблица 3. Уровень использования солнечной энергии агроценозами сои в зависимости от формирования РМС, КПД ФАР, % (среднее за 2013-2015 гг)
Варианты Свапа Бара
NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70%
1. Контроль 1,35 1,00 1,03 0,92
2. Штамм 634б 1,49 1,14 1,46 1,42
3. Pseudomonas 1,47 1,21 1,53 1,32
4. Variovorax 1,47 1,10 1,51 1,13
5. Штамм 634б + Pseudomonas 1,21 1,51 1,57 1,34
6. Штамм 634б + Variovorax 1,48 1,19 1,45 1,27
У сорта Свапа КПД ФАР надземной фитомассы в годы исследований в большей степени возрос в варианте с комплексным использованием штамма 634б и ризобактерий рода Pseudomonas при сокращении дозы минеральных удобрений на 30%, превысив контрольный показатель на 51%.
Сорт Бара достигал максимального значенияданного показателя в том же варианте,но на полном минеральном фоне удобрений, превысив контрольный уровень на 52,4%.
Интенсификация фотосинтетических процессов растений в условиях эффективного симбиоза способствовала повышению реализации потенциала продуктивности изучаемых сортов (рис. 4).
Максимальную прибавку урожайности у сорта Свапа на фоне снижения уровня минерального питания обеспечила совместная интродукция в ризосферу растений ассоциативных бактерий рода Pseudomonas и селективного штамма клубеньковых бактерий 634б, в результате которой сбор зерна с гектара превысил контрольный показатель 66,7%. По нашему мнению, это связано с увеличением уровня использования солнечной энергии агроценозами данного сорта.
Существенного повышения семенной продуктивности агроценозов сорта Бара удалось добиться также за счет данного агроприема, но только на фоне NPK100%. Вероятно, это обусловлено повышением эффективности фотосинтеза, посредством усиления ростовых процессов в листьях,функциональной активности и их повышения КПД ФАР.
Рисунок 4 - Относительные прибавки урожайности сортов сои Свапа (а) и Бара (б) в разные годы исследований, % (среднее за 2013-2015 гг)
Таким образом, полученные результаты показали, что использование перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий в комплексе с клубеньковыми диазотрофами при выращивании сои северного экотипа способствует существенному повышению семенной продуктивности растений за счет реализации их биологического потенциала в условиях эффективного симбиоза при сокращении использования синтетических удобрений. Важно отметить, что при этом дополнительный урожай зерна формируется за счет увеличения использования агроценозами солнечной радиации в процессе фотосинтеза, а эффективность используемых агроприемов, главным образом, определяется сортовой индивидуальностью растений.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Ничипорович, А.А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности (Текст)/ А.А.Ничипорович// Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. - М.: Наука 1972. - С. 511-527.
2. Столяров, О.В. Фотосинтетическая деятельность и продуктивность зернобобовых культур в Центральном Черноземье / О.В. Столяров // Аграрная наука. - 2005. - №5. - С. 20-21.
3. Каюмов, М.К. Использование солнечной энергии полевыми культурами / М.К. Каюмов//- М.: ВНИИТЭИСХ, 1981. - 58 с.
4. Парахин, Н.В. Фотофизические реакции листьев люпина узколистного при формировании растительно-микробных симбиозов / Н.В. Парахин, С.Н. Петрова // зернобобовые и крупяные культуры. - 2012. - №1. -С. 15-19.
5. Моисеенко, Ю.В. Роль сорта в увеличении производства высокобелкового зерна/ Ю.В.Моисеенко, Ю.В.Кузмичева, С.Н.Петрова, Н.В.Парахин // Вестник Орловского государственного аграрного университета. - 2011. Т. 32. № 5. С. 108-110.
6. Боровой, Е.П. Белик, О.А. Особенности фотосинтетической деятельности и продуктивности сои при капельном орошении в условиях Нижнего Поволжья
/Боровой Е.П., Белик О.А.// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2009. № 4. С. 47-52.
7. Кузмичева, Ю.В. Энергосберегающие приемы повышения продуктивности сортов гороха (Pisum sativum L.) посевного на основе растительно-микробных взаимодействий. Автореф. дисс... канд. с.-х. наук.- Орел, 2011. -22с.
8. Петрова, С.Н. Ресурсосберегающая роль растительно-микробных взаимодействий в растениеводстве: Автореферат дисс. докт. с.-х.наук. Орел, 2011; 41 с.
9. Парахин, Н.В. Влияние АЦК-утилизирующих ризобактерий на экологическую устойчивость сои // Н.В. Парахин, Ю.В. Кузмичева, С.Н. Петрова, И.Л. Тычинская. - Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - 2014. - №2(30). - С. 29-31.
10. Parakhin, N.V. Increase of efficiency of symbiotic systems in agrocenoses of north ecotype soya varieties // N.V. Parakhin, Yu.V. Kuzmicheva, S.N. Petrova, N.I. Botuz, I.L. Tychinskaya. - Vestnik Orel GAU. - 2014. - №2(47) - P. 3-6.
11. Белимов, А.А. Взаимодействие ассоциативных бактерий и растений в зависимости от биотических и абиотических факторов: Автореферат дисс. докт. биол. наук / А.А. Белимов. - Санкт-Петербург, 2008. - 46с.
12. Belimov, A.A., Dodd I.C., Hontzeas N. e.a.Rhizosphere bacteria containing ACC deaminaseincrease yield of plants grown in drying soil viaboth local and systemic hormone signaling. NewPhytologist. 2009; 181:413-423.
13. Czarny, J.C., Grichko V.P., Glick B.R. Genetic modulation of ethylene biosynthesis and signaling in plants. Biotech. Adv. 2006; 24:410-419.
14. Glick, B.R. Phytoremediation: synergistic use of plants and bacteria to clean up the environment. Biotech. Adv. 2003; 21:383-393.
15. Ничипорович, А.А. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах / А.А. Ничипорович, Л.Е. Строганова, С.Н. Чмора, М.П. Власова.- М.: АНСССР, 1961. - 133с.
16. Тооминг, X.r. Определение поглощенной радиации и коэффициента полезного действия (коэффициента использования) ФАР в некоторых особых случаях.— Метод, указания по учету и контролю важнейших показателей процессов фотосинтетической деятельности растений в посевах. М.; ВАСХНИЛ, 1969, с. 50—57.
