Введение к работе
Актуальность работы. Энергоемкость производства азотных удобрений и отрицательные экологические последствия их широкого применения выдвинули на первый план проблему использования «биологического азота» для удовлетворения потребности сельскохозяйствен'иых растений в азоте. У небобовых растений и, в частности* злаков около пятнадцати лет назад работами Й. Доберейнер (Dobereiner, 1972, 1976) было открыто явление ассоциативной азотфиксации с диазот-рофными бактериями. Установлено, что азотфиксирующие бактерии обладают способностью к продукции биологически активнык веществ, могут подавлять рост фитопатогенных микроорганизмов. Внесение азотфиксирующих бактерий в почву зачастую оказывало благоприятное воздействие на рост и урожайность сельскохозяйственных растений, улучшало структуру почшы, содержание в ней азота. Однако более широкое .применение диазотрофных бактерий для инокуляции небобовых растений .показало, что в ряде случаев эффект от инокуляции отсутствует. В настоящее время нет достаточно обоснованных критериев при определении микроорганизма как ассоциативного, не разработана единая .методика выделения ассоциативных бактерий. При изучении' азотфиксирующих ассоциаций преобладающее количество работ выполнено на микроорганизмах. Роль растения-лозяина в формировании и контроле ассоциации остается практически неизученной.
Стало очевидным, что использование биологической азот-фиксации для нужд сельского хозяйства в дальнейшем в<ряц ли возможно без изучения механизмов взаимоотношений и взаимодействия партнеров в диазотрофном биоценозе. Пшеница является самой распространенной сельскохозяйственной культурой в нашей стране и в мире, поэтому решение проблемы биологической азотфиксации в приложении к пшенице может дать существенную экономическую выгоду. Таким образом, проблема-* ассоциативной азотфиксации
у небобовых растении и, в частности, у пшеницы представляет теоретический и практический интерес.
Цель и задачи исследования. Целью работы явилось исследование активности ассоциативной азотфиксации у .пшениц с различным геномом, а также научение функционирования популяции диазотрофных бактерий в корневой зоне пшеницы1.
Представлялось также необходимым разработать оценки для определения эффективности взаимодействия диазотрофных бактерий с растениями.
Основные задачи исследований:
1. Определить активность ассоциативной азотфиксации в полиплоидном ряду пшениц, а также пшениц с различной структурой генома. Изучить видовую, сортовую вариабельность ассоциативной азотфиксации у пшениц, проявление признака ассоциативной азотфиксации у моногамных линий гексаплоидной пшеницы.
-
Разработать методы выделения ассоциативных азот-фиксирукшшх бактерий из различных зон кор.ня пшеницы.
-
Выделить из ризосферы, ризоп.таны, гистосфсры лше-ншш ассоциативные азотфнксирующие бактерии и изучить их свойства.
-
Изучить численность и состав популяции диазотрофных бактерий в корневой зоне пшеницы.
-
Разработать количественные оценки эффективности взаимодействия диазотрофных бактерий с небобовыми растениями.
6. Определить влияние инокуляции выделенными дназо-
трофными бактериями на рост и развитие пшеницы.
Научная новизна. В условиях модельного опыта определена прямая зависимость величины ассоциативной азотфиксации от плоидности генома пшеницы. Установлен значитель-/ ный видовой, сортовой полиморфизм .пшеницы по нитрогеназ-I ной активности в корневой зоне. Обнаружены индивидуаль-л ные растения, в пределах каждого сорта пшеницы; не обладающие способностью поддерживать ассоциативную азог-';фиксацию. Способность (поддерживать азотфиксацию у бактерий, обитающих в корневой зоне, зарегистрирована у всех изученных моногамных линий гексаплоидной пшеницы. Наибольшие нарушения ассоциативной азотфиксации зарегистрированы у моногамных линий ЗА, 1А, 6Д.
Разработан и апробирован метод выделения' ассоциативных азотфиксагрующих бактерий из различных зон корня небобовых растений. С помощью нового метода из корней гех-""еаплоидной пшеницы выделены агробактерии, обладающие зависимой от растения нитрогеназной активностью. Установлены не описанные ранее ассоциативные взаимоотношения
сахаролитических азотфиксирующих клостриднй с гексапло- \
идной .пшеницей. Определена численность азотфиксирующих )
бактерий трех физиологических групп в различных зонах /
корня пшеницы. л./
Впервые предложено разбить процесс образования диа-зотрофного биоценоза на ряд последовательных этапов. Впервые разработана система оценки эффективности взаимодействия диазотрофны.х бактерий с небобовыми растениями на основе количественны'х оценок каждого этапа образования диазотрофного биоценоза.
Практическая ценность. Разработана система количественных оценок эффективности взаимодействия диазотроф-ных бактерий с небобовыми растениями, [На основаншг которых возможен отбор и селекция бактерий, эффективно взаимодействующих с растением и повышающих урожайность растений. Для выделения ассоциативных форм бактерий предложен новый метод, с помощью которого возможен поиск эффективных микробных партнеров для небобовых растений в ассоциации. 'При ломоши разработанного метода из корней пшеницы выделены бактерии Agrobacterium га-diobacter, обладающие зависимой от растения нитрогеназной активностью, которые представляют интерес как объекты при исследовании ассоциативного симбиоза, а также при создании генноинженерными методами штаммов, эффективно взаимодействующих с пшеницей. На базе выделенных из корневой зоны пшеницы штаммов 5 Д-1 и 56 Д возможно приготовление бактериальных (препаратов, повышающих продуктивность пшеницы. Выявлены, сорта пшеницы, обладаю- у щие повышенной способностью активизировать ассоциативную азотфиксацию./которые могут послужить донорами признака высокой азотфиксашш. В практику селекции пшеницы может быть рекомендован тест на nis-признак при создаиин сортов, обеспечивающих часть своих потребностей в азоте за счет биологической азогфиксации.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены-: на VII съезде Всесоюзного микробиолотического общества (Алма-Ата, 1985), на конференции молодых ученых и специалистов ТСХА (1986, 1987), на III Всесоюзной конференции «Микроорганизмы в сельском хозяйстве» (Москва, 1986), во Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов «Современные проблемы использования биологического азота в земледелии» (Усть-Нарва, 1986), на Республиканской конференции «Симбиотрофные азотфиксаторы и их использование в сельском хозяйстве» (Чернигов, 1987), на симпозиуме по генетике азогфиксации (Венгрия, 1987), на Международном симпозиуме «Взаимоотношения между микроорганизмами « растениями в почве» (Либице, Чехословакия,
1987), на'Республиканской конференции! «Микроорганизмы в сельском хозяйстве» (Кишинев, 1988), на Всесоюзном совещании «Молекулярные и генетические механизмы взаимодействия растений и .микроорганизмов'» (Пущино, 1988), на 6-м Международном конгрессе по азотфиксации (Кельн, ФРГ, 1988), на 6-м Конгрессе FESP (Сплит, Югославия, 1988), на 8-м Баховском коллоквиуме по биологической азотфиксации (Кобулети, 1988).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, списания объектов и методов исследования, изложения результатов экспериментов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащей 257 источников. Работа изложена на 182 страницах, содержит 7 рисунков, 25 таблиц.