Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ с.4
ГЛАВА 1. РОЛЬ МИКРОБОВ - АНТАГОНИСТОВ
ФИТОПАТОГЕНОВ В ОПТИМИЗАЦИИ АГРОБИОЦЕНОЗОВ с.15
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ с.50
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ СОРТОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ, ИХ БОЛЕЗНЕУСТОЙЧИВОСТЬ И УРОЖАЙНОСТЬ с.74
ГЛАВА 4. ФИТОПАТОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА В
ПОСЕВАХ ПШЕНИЦЫ с.93
ГЛАВА 5. МЕСТО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ФИТОСАНИТАРНОЙ ОБСТАНОВКИ с
ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ ЭНДОФИТНЫХ
БАКТЕРИЙ РОДА BACILLUS с.123
6.1 Видовой состав с. 123
6.2 Антагонистическая активность с. 126
6.3 Морфологические признаки и физиолого-биохимические свойства с. 130
6.4 Чувствительность к антибиотикам с. 139
6.5 Влияние источников питания нарост и антагонистическую активность эндофитной бактерии 2?. subtilis с.140
6.6 Влияние ионов тяжелых металлов на популяцию В. subtilis 26Д с. 142
6.6 Эндофитность В. subtilis с. 147
ГЛАВА 7. МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
В. SUBTILIS сЛ51
7.1 Изменение микробиоценоза и активности ферментов ризосферы растений с.151
7.2 Хитинолитическая активность с. 156
7.3 Влияние В. subtilis на площадь листовой поверхности и структуру хлоропластов с.160
7.4 Продукция фитогормонов с. 170
ГЛАВА 8. ПРЕПАРАТЫ ЭНДОФИТОВ БАКТЕРИИ В. SUBTILIS с. 172
8.1 Опытные серии препаратов с. 172
8.2 Формы препаратов с. 175
8.2 Консерванты и стабилизаторы с. 179
8.3 Совместимость биопрепаратов с химическими пестицидами с. 184
ГЛАВА 9. ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОПРЕПАРАТОВ ЭНДОФИТНЫХ БАКТЕРИЙ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЗАЩИТЕ
ПШЕНИЦЫ ОТ БОЛЕЗНЕЙ с.189
9.1 Подавление микрофлоры семян с. 189
9.2 Активизация прорастания семян с. 193
9.3 Подавление болезней и повышение урожайности пшеницы с.202
9.4 Повышение качества зерна с.219
ГЛАВА 10. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ ФИТОСПОРИНА с.221
ЗАКЛЮЧЕНИЕ с.226
ВЫВОДЫ с.233
РЕКОМЕНДАЦИИ с.236
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ с.238
ПРИЛОЖЕНИЯ с.281
Введение к работе
Актуальность проблемы. За последнее десятилетие XX века сельское хозяйство России в числе других отраслей экономики претерпело значительные структурные изменения. Они проявились не только в распространении новых форм собственности, но затронули также структуру посевных площадей многих сельскохозяйственных культур и производства соответствующей продукции.
Несмотря на это, производство зерна пшеницы, в том числе и яровой, все же является стабильно востребованным, поскольку она остается главной продовольственной культурой России. Среди субъектов Российской Федерации одним из ведущих производителей зерна пшеницы является Республика Башкортостан, входящая в состав Южно-Уральского региона.
В Республике Башкортостан за последнее десятилетие размеры посевных площадей яровой пшеницы практически не изменились. В 2002 г при средней урожайности зерновых культур выше 25 ц/га был собран рекордный урожай ее зерна. В связи с этим научно-техническое обеспечение производства зерна пшеницы остается актуальной проблемой аграрной науки.
В последнее время среди множества направлений, связанных с возделыванием зерновых культур на Южном Урале и в других прилегающих к региону областях, выделяется повышенный интерес к получению зерна с высокими технологическими характеристиками [Исмагилов P.P. и др., 1997; Гайнуллин Ф.М. и др., 1998; Левин И.Ф. и др., 1998; Лухменев В.П., 1998; Шамсутдинова К.Г. и др., 1998; Евдокимова М.А., 2000; Исмагилов P.P. и др., 2001].
Стремление сельскохозяйственных предприятий получать стабильные урожаи пшеницы с высокими технологическими качествами
зерна реализуется пока не полностью. Для многих регионов Урала основным фактором, ограничивающим получение качественного зерна, являются неблагоприятные климатические условия [Леонова С.А. и др., 1997; Хабиров И.К. и др., 1998]. Формирование белкового комплекса зерна зависит также от генетических особенностей сортов [Суднов П.Е., 1978; Конарев В.Г., 1980; 1998], которые пока не в полной мере удовлетворяют требования производителей. Таким образом, можно заключить, что наряду с необходимостью обеспечения стабильности производства зерна, насущной потребностью является повышение его качества. Отсюда становится ясной значимость выяснения роли различных факторов, действующих в определенных почвенно-климатических условиях, на формирование продуктивности культуры и качество продукции, а также значение разработки приемов их регулирования.
Внешние факторы, влияющие на формирование урожая сельскохозяйственных культур, можно подразделить на две основные группы: абиотические и биотические. Особенности абиотических факторов, действующих в каждой природной зоне, как правило, известны, и в некоторой степени их влияние статистически закономерно, что подтверждается эффективностью программирования урожаев [Каюмов М.К., 1989; Ковалев В.Н., 2000]. Что касается оценок влияния биотических факторов, то они остаются менее достоверными. Это обусловлено сложными взаимоотношениями организмов в агробиоценозах, закономерности взаимосвязей между которыми тщательно изучаются и пока в достаточной мере не установлены [Новожилов К.В. и др., 1993; Вилкова Н.А., 2000; Зубков А.Ф., 2000].
К основному биотическому фактору, отрицательно влияющему на урожайность и качество продукции, относится вредное воздействие сорняков, насекомых и микроорганизмов. В результате инфекционных
заболеваний злаковых культур потери зерна могут составлять до 25% от уровня потенциального урожая [Новожилов К.В., Тютерев С.Л., 1993]. К 1990 году в странах бывшего СССР реальные потери зерна пшеницы от вредителей, болезней и сорняков оценивались в 41%, при среднем показателе по странам мира 34% [Д. Шпаар и др., 2000]. Согласно этим же авторам суммарные потенциальные потери зерна при производстве пшеницы без защиты составляли примерно 52%, что подчеркивает необходимость проведения защитных мероприятий.
Численность вредных для растений организмов высока. Сообщается, что в мире насчитывается свыше 70 000 насекомых вредителей [D. Pimentel et al., 1997]. В то же время указывается, что растения проявляют к ним высокую природную устойчивость. Кроме того, по данным этого автора, примерно 99% насекомых-фитофагов имеют естественных врагов. Среди них распространенными являются насекомые-хищники, энтомопатогенные нематоды и микроорганизмы [Павлюшин В.А. и др., 1999; Данилов Л.Г и др., 2000; Павлюшин и др., 2001].
Аналогичные данные приводятся и в отношении фитопатогенов. Так, считается, что только грибов - возбудителей болезней растений около 50 000 видов [Жученко А.А., 2001(6)]. Вместе с тем, по мнению многих исследователей [Вавилов Н.И., 1918; Ван дер Планк, 1981; Z. Kiraly et al., 1991] растения, как правило, устойчивы к болезням, а генофонд высокоустойчивых и иммунных видов близкородственных к культурным довольно значителен [Кривченко В.И., 1997; Драгавцев В.А., 1999]. Результаты исследований отечественных авторов [Худяков Я.П., 1935; Новогрудский Д.М., 1936; Красилышков Н.Я. и др., 1952, 1953; Федоров Н.И., 1960; Билай В.И., 1961; Сейкетов Г.М., 1967] свидетельствуют о распространенности в природе антагонизма между фитопатогенами и другими микроорганизмами, использовании для защиты растений от
болезней экологически безопасных эффективных препаратов на основе живых микробов или продуктов их метаболизма [Крашенинникова Т.К. и др., 1995; Павлюшин В.А., 1998; Смирнов В.В. и др., 1999; Мелентьев А.И., 2000; Коломбет Л.В. и др., 2001; T.J. Poprawski et al., 1997; A. Hervas et al., 1998; J.A. Lewis, R.P. Larkin, 1998; K.D. Stromberg et al., 2000]. В связи с этим в разработке экологически безопасных методов защиты сельскохозяйственных культур от болезней следует выделить следующие направления: 1) применение естественных врагов или конкурентов вредных организмов; 2) использование продуктов жизнедеятельности организмов, подавляющих фитопатогенов и вредителей; 3) использование механизмов индуцированной устойчивости растений к болезням. В целом эти направления связаны с биоконтролем (biocontrol), который может быть кратко охарактеризован как «регулирование численности растений и животных естественными врагами» [С. Morris, 1992; D. Dent, R. Allcott, 1996].
Основная проблема защиты растений заключается в том, что использование токсичных для вредителей и фитопатогенов пестицидов увеличивает риск поражения других организмов, прежде всего человека, из-за трофических и других взаимосвязей в биоценозах. Таким образом, решение безопасности защиты растений для человека и окружающей среды является наиболее трудной задачей в современном растениеводстве, основным направлением которого в настоящее время считается биологизация [Жученко A.A., 2001(a)].
Эффективным решением этой проблемы является применение экологически безопасных биологических средств защиты растений, успешное создание которых, несомненно, должно быть связано с изучением механизмов устойчивости растений к болезням, о чем указывается в трудах отечественных фитоиммунологов [Вавилов Н.И.,
1918; Сухоруков, 1958; Горленко М.В., 1968; Рубин и др., 1975; Метлицкий и др., 1986; Гусева Н.Н., 1988; Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л., 1991; Дьяков Ю.Т., 1994; Одинцова Т.Г., 1994; Кораблева Н.П., Платонова П.А., 1995; Тютерев С.Л., 1999]. В общей стратегии достижения стабильности в формировании высокой урожайности
сельскохозяйственных культур значительную роль играют исследования регуляции жизнедеятельности и устойчивости растений через гормональные и сигнальные системы, включающие эндо- и экзогенные регуляторы роста растений, элиситоры и иммуностимуляторы [Кулаева О.Н., 1973; Муромцев Г.В., Агнистикова В.Н., 1984; Муромцев Г.В. и др., 1987; Чайлахян М.Х., 1988; Полевой В.В., Саламатова Т.С., 1991; Кефели В.И., 1994; Шевелуха B.C., 1994; Тарчевский И.А., 2002; Тютерев С.Л., 2002].
Значительный интерес для биоконтроля представляют микроорганизмы, живущие в растительных тканях и формирующие с растениями своеобразные «вігутренние» сообщества. Эти организмы получили название эндофитных или эндофитов. Согласно данным литературы, эндофиты - «организмы, которые живут по крайней мере одну фазу своей жизни внутри растений, не вызывая у них каких-либо симптомов» [L. Wellington et al., 2001], или «не нанося им вреда» [J. Hallmann et al., 1998]. Как свидетельствуют экспериментальные данные, эндофиты способны придавать устойчивость растений к вредным насекомым [A.D. Brede et al., 1998; Н. Hoitink, 2002], нематодам [K.D. Gwinn et al., 1998; J. Hallmann et al., 1998], возбудителям грибных и бактериальных болезней [Менликиев М.Я. и др., 1987; Менликиев М.Я. и др., 1990; Понятаев В.Т., 1999; С. Chen et al., 1995; D. Hannaway, S. Fransen, 1999; J. Hockenhull, 1999; V. Ramamoorthya et al., 2001].
Перспективность использования эндофитов для защиты растений видится во многом. Их применение для биоконтроля органично вписывается в
систему биологического (агроландшафтного, экологического) земледелия. Эффективность использования эндофитов может заключаться, вероятно, в том, что, однажды внедрившись в ткани растений, они способствуют длительному, возможно на протяжении всего вегетационного периода, противостоянию растительного организма вредителям и фитопатогенам.
Таким образом, поиск эндофитов, способных защищать растения от болезней и других неблагоприятных факторов среды, изучение свойств таких микроорганизмов и разработка на их основе биопрепаратов являются актуальной проблемой защиты растений.
Цель исследований. Целью работы являлось биологическое и технико-экономическое обоснование использования эндофитных штаммов бактерии Bacillus subtilis Cohn для создания экологически безопасных препаратов в защите растений от болезней.
Задачи исследований:
- оценить фитопатологическую обстановку в посевах пшеницы, свойства ее возделываемых сортов и состояние биологической защиты растений в Республике Башкортостан;
- изучить особенности биологии эндофитных штаммов бактерии В. subtilis;
- показать эндофитность бактерии В. subtilis, ее значение в защите сельскохозяйственных культур от болезней, влияние на рост и развитие растений пшеницы;
- изучить физиологические и биохимические механизмы взаимоотношений эндофитных штаммов В. subtilis с фитопатогенами, растениями и почвенной микрофлорой;
- разработать оптимальные условия культивирования эндофитных штаммов В. subtilis с целью создания на их основе препаратов для защиты растений от болезней, оценить их эффективность и рентабельность;
- изучить совместимость биопрепаратов с химическими пестицидами.
Фактический материал. Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ «Развитие биотически управляемых, устойчиво развивающихся агросистем на основе интегрированной защиты сельскохозяйственных культур», проблемой V-й Межведомственной координационной программы «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства», задание 05.
В работе приведены результаты поиска и изучения свойств эндофитной бактерии В. subtilis и биоэкологическое обоснование использования ее в защите растений от болезней. В работу включены экспериментальные материалы, полученные автором при непосредственном участии или под его руководством в 1992-2002 гг.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в выработке и обосновании направлений исследований, разработке программы и методики экспериментов, выполнении основного объема экспериментальных работ, анализе и обобщении результатов, разработке и апробации регламентов производства биопрепаратов эндофитных бактерий, организации их промышленного выпуска и составлении рекомендаций по применению, проведении широких полевых испытаний биопрепаратов и внедрении их в растениеводстве.
Физиолого-биохимические и токсикологические исследования эндофитных штаммов бактерий, их идентификация выполнены в рамках совместных работ с сотрудниками Института микробиологии и вирусологии НАН Украины под руководством академика НАН Украины,
доктора медицинских наук, профессора В.В. Смирнова.
Часть исследований выполнена на основе договоров о научно-техническом сотрудничестве со специалистами различных научно-исследовательских институтов и предприятий. Автор всем им благодарен за участие в выполнении работы.
Научная новизна. Проведены .скрининг и отбор биологически активных эндофитов Bacillus subtilis, перспективных для дальнейшего практического использования. Изучены культурально-морфологические признаки и физиолого-биохимические свойства эндофитных штаммов бактерии и их взаимоотношения с растением пшеницы.
Установлено влияние эндофитных штаммов В. subtilis на микрофлору семян и активность ферментов в ризосфере растений пшеницы, показана безопасность бактериального препарата для основной почвенной микрофлоры.
Разработана и обоснована промышленная технология культивирования эндофитных штаммов В. subtilis и получения на их основе жидкой, пастообразной и порошкообразной форм препаратов с высокой биологической и хозяйственной эффективностью. Подобраны питательные среды, консерванты и стабилизаторы для продления срока хранения жидкой формы препарата.
Изучено действие солей тяжелых металлов на В. subtilis, выявлены протекторные свойства ионов трехвалентного железа при токсическом действии солей меди и цинка.
Установлена возможность совместного применения биопрепаратов на основе эндофитных бактерий с химическими пестицидами.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Дана оценка фитопатологического состояния посевов пшеницы за последние 10 лет и подробно описаны видовой состав и
распространенность микроорганизмов, вызывающих основные болезни пшеницы в Республике Башкортостан.
Разработана промышленная технология производства биопрепаратов на основе эндофитных штаммов В. subtilis; изготовлены жидкая, пастообразная и порошкообразная формы препаратов с высокой биологической эффективностью в защите растений от болезней. Биопрепарат фитоспорин для защиты растений от болезней (патент РФ №2099947) включен в «Список пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации».
Рекомендованы эффективные препаративные формы фитоспорина и интеграла, консерванты и стабилизаторы для длительного хранения жидкой формы препарата фитоспорин.
Разработаны технологические регламенты на производство биологического препарата фитоспорин, защищенного патентом РФ, рекомендации по его применению.
Показана высокая биологическая, хозяйственная и экономическая эффективность биопрепаратов на основе эндофитных штаммов В. subtilis в защите яровой пшеницы от болезней, которые применяются в Республике Башкортостан и других регионах Российской Федерации на площади более 2 млн. га.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: республиканских и зональных научно-производственных конференциях специалистов (1996; 1997), научно-практических конференциях «Качество зерна и приемы его повышения» (Уфа, 1997), «Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы природопользования» (Уфа, 2001), международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития прикладных исследований и повышение их эффективности в сельскохозяйственном производстве»
(Казань, 2001), «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2001), «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа, 2002), «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003).
Биопрепарат фитоспорин экспонировался на международных выставках «Агро-98» (24-27 февраля 1998 г., Уфа), «Агро-99» (23-26 февраля 1999 г., Уфа) и Российской агропромышленной выставке (13-17 октября 2001 г., Москва), где отмечен дипломами II и I степеней и серебряной медалью.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносится концепция создания микробиологических препаратов на основе эндофитных штаммов Bacillus subtilis, а также их использования в интегрированной защите зерновых культур от болезней.
Основные элементы концепции.
Бактерия Bacillus subtilis включает широкий набор штаммов, в том числе эндофитных, способных быть одним из определяющих факторов защиты посевов пшеницы от болезней и обеспечения фитосанитарной оптимизации агроэкосистем в условиях Южного Урала.
Биологическими свойствами этой группы штаммов Bacillus subtilis, определяющими эффективность защиты растений от болезней и рост урожайности зерна пшеницы, являются:
- антагонистическая активность в отношении фитопатогенов;
- проникновение в растительные ткани и высокая жизнеспособность в них в течение всей вегетации растений;
- рострегулирующая активность;
- повышение фотосинтетического потенциала и устойчивости растений к болезням.
Регламенты промышленного культивирования эндофитных
бактерий. С учетом высокой адаптивности эндофитных штаммов Bacillus subtilis, их устойчивости к высоким и низким температурам, действию химических пестицидов, применения консервантов и стабилизаторов обосновано создание различных форм микробиологических препаратов, что позволяет усовершенствовать систему интегрированной защиты пшеницы от болезней, повысить экологическую безопасность и экономическую эффективность фитосанитарных мероприятий.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3,5"работ, в том числе І8 статей, { рекомендация, {Зкниг. t 2 монографии; получен 1 патент.
