Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Растительно-микробные взаимодействия как фактор энергосбережения в растениеводстве (обзор литературы) 14
1.1. Основные направления и приемы энергосбережения в агробиоценозах 14
1.2. Роль микроорганизмов в биосфере и процессе формирования плодородия почвы 22
1.3. Виды растительно-микробных взаимодействий и их значение для. агроэкосистем 25
1.4. Подходы к созданию эффективных растительно-микробных систем
1.4.1. Экзогенная регуляция растительно-микробных взаимодействий 3 9
1.4.2. Эндогенная регуляция растительно-микробных взаимодействий 53
1.4.3. Микробные препараты, как способ формирования эффективных РМС 60
ГЛАВА 2. Опытный материал, условия и методика проведения исследований 70
2.2. Условия проведения исследований 72
2.3. Методика исследований 79
ГЛАВА 3. Симбиотический потенциал многолетних и однолетних бобовых культур 86
3.1. Симбиотический потенциал многолетних и однолетних бобовых культур 87
3.1.1. Многолетние бобовые травы 87
3.1.2. Зерновые бобовые культуры
3.2. Способность видов бобовых формировать эффективный симбиоз с различными группами эндофитов . 104
3.3. Сортовой полиморфизм бобовых по способности к эффективному симбиозу 111
ГЛАВА 4. Экзогенная регуляи1№ растите лъно-микробшгх взаимодействий .117
4:1. Нодборгкомплементарного микросимбионта 1;17.
4.2 Регуляцияїкислотности почвы шшрименение микроэлементов... 13 2:
4:3.Оптимизация минерального питания
4.4. Совместноешрименение микробных-препаратов:и минеральных удобрений:... : ;. 150»
4.5: Формирование эффективных РМЄ в смешанных агрофитоценозах... 160
ГЛАВА 5. Повышение агроэкологической №х03яйственно-энергетической у єт0йчивости аеробиоиенозовшри формшованж эффективных РМС 171
5.1. Биологическая эффективность РМС 171
5.1.1. Уровень использования солнечной?энергиишосевами 172
5.1.2; Формирование микробного сообществштемно-серойшесной почвы в:зависимостшот формирования эффективных РМС ... 177
5.1.3: Устойчивость растений к биотическим факторам среды при формировании РМС 183
5:2. Хозяйственная эффективность созданияРМС 190
5.2.1. Улучшение качества урожая бобовых культур... : 190
5.212. Доля азота воздуха в формировании; урожая бобовых культур 199і
5.2.3. Агротехническая роль создания эффективных РМС .208
5.3. Экономическая;эффективность создания агроценозов а основе РМВ .223
5.4. Энергетическая эффективность создания агроценозов на основе РМВ 233
ГЛАВА 6. Направления практического использования РМС ,. 241
6.1. Агроэкологическое состояние земельных угодий в Орловской области 241
6.2. Использование средостабилизирующей роли бобовых культур в агробиоценозах 249
6.3. Повышение энергоэффективности агробиоценозов на основе оптимизации структуры пашни и РМВ 259
Выводы 269
Предложения производству 272
Список литературы
- Виды растительно-микробных взаимодействий и их значение для. агроэкосистем
- Методика исследований
- Способность видов бобовых формировать эффективный симбиоз с различными группами эндофитов
- Формирование микробного сообществштемно-серойшесной почвы в:зависимостшот формирования эффективных РМС
Введение к работе
Актуальность исследований. Необходимость обеспечения продовольственной безопасности страны позволила сформулировать важнейшие национальные приоритеты, среди которых на первый план выходит энерго- и ресурсобережение (Медведев, 2009). В сельском хозяйстве эта проблема наиболее актуальна, поскольку АПК России традиционно является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства. Имеющийся мировой опыт свидетельствует, что энергоемкость производимой в России продукции в 4-6 раз выше, чем в странах Запада, что делает отечественную продукцию неконкурентоспособной на мировом рынке (Данилов, 2000; Епишков, 2001; Нисанов, 2007). Поэтому в современных условиях к решению проблем энергосбережения в АПК является важнейшей стратегической инновацией. В этих условиях необходимо широкое использование в современных технологиях факторов, реально влияющих на фотосинтетическую производительность агрофитоценозов, и снижения затрат исчерпаемых ресурсов на каждую дополнительную единицу продукции.
В этой связи актуальным с точки зрения ресурсосбережения, а также получения экологически безопасной, качественной продукции растениеводства, является использование в сельскохозяйственной практике растительно-микробных симбиозов. Симбиотические взаимодействия с микроорганизмами играют исключительно важную роль в жизни растений, обеспечивая их минеральное питание, адаптацию к абиотическим стрессам, а также защиту от патогенов и вредителей (Проворов, Тихонович, 2003; Звягинцев, 2005; Белимов, 2008).
Однако, существующие на сегодняшний день технологии возделывания сельскохозяйственных культур рассматривают использование полезных ризосферных микроорганизмов лишь как «опцию», а не ключевой элемент снижения ресурсозатратности и повышения адаптивности агофитоценозов. Вследствие этого агроэкосистемы недополучают необходимое количество биогенных элементов, доступность которых растениям, главным образом, обусловлена активной деятельностью микрофлоры почвы. Поэтому необходимо комплексное решение проблемы ресурсосбережения в растениеводстве, позволяющее за счет формирования эффективных растительно-микробных систем (РМС) реализовать потенциал не только культуры, но и сорта, а также обеспечить рациональное использование природных ресурсов.
Цель исследований - теоретически обосновать и разработать предложения по ресурсосбережению в растениеводстве за счет эндо- и экзогенной регуляции растительно-микробных взаимодействий (РМВ), способствующих повышению эффективности использования солнечной энергии агроценозами.
Задачи исследований:
- дать сравнительную оценку симбиотического потенциала однолетних и
многолетних видов бобовых культур;
изучить способность видов бобовых формировать эффективный симбиоз с различными группами эндофитов;
определить роль сорта в формировании растительно-микробного симбиоза;
изучить влияние экзогенных факторов регуляции растительно-микробных взаимодействий на экологическую приспособленность (продуктивность, устойчивость к вредным организмам) агробиоценозов, а также качество получаемой продукции и выявить наиболее эффективные растительно-микробные системы;
определить количество почвенных диазотрофов в агроценозах в зависимости от эффективности формирования растительно-микробных систем с помощью методов молекулярно-генетического анализа;
выявить эффективность использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза при формировании симбиоза растений с полезной ризосферной микрофлорой;
провести анализ фактического использования растительно-микробных взаимодействий в сельскохозяйственной практике ЦЧР (на примере Орловского региона);
разработать систему мер по снижению ресурсозатрат в агробиоценозах на основе растительно-микробных взаимодействий при высокой биологической и хозяйственно-экономической эффективности.
Научная новизна. Дано теоретическое и экспериментальное
обоснование использования растительно-микробных сообществ в создании
энергоресурсосберегающего, экологически безопасного
сельскохозяйственного производства в ЦЧР России.
Впервые для условий региона установлены фактические и потенциальные возможности ассимиляции азота воздуха многолетними и однолетними агроценозами бобовых и выявлены виды, обладающие наиболее высокой азотфиксирующей способностью.
В условиях севооборота осуществлена комплексная проверка эффективности взаимодействия видов и сортов бобовых культур с различными группами полезной ризосферной микрофлоры: клубеньковыми бактериями, ризобактериями (PGPR) и эндомикоризными грибами.
Впервые выявлено, что интродукция полезных почвенных микроорганизмов в ризосферу бобовых растений приводит к изменению скорости первичных реакций фотосинтеза и повышению эффективности использования ФАР агроценозами зернобобовых.
С помощью методов молекулярно-генетического анализа дана количественная характеристика микробного сообщества темно-серой лесной почвы под агроценозами бобовых культур и выявлено изменение
численности диазотрофов в ответ на использование эндо- и экзогенных факторов регуляции РМВ.
Впервые в регулируемых условиях показана связь симбиотических свойств партнеров растительно-микробной системы с устойчивостью бобовых к тле при снижении активности питания насекомых на инокулированных растениях.
Получена характеристика отзывчивости современных сортов зернобобовых культур на факторы экзогенной регуляции РМВ, являющаяся основой разработки сортовых технологий.
Дано комплексное обоснование ресурсосберегающих принципов в растениеводстве при использовании полифункциональных свойств растительно-микробных симбиозов.
Практическая значимость. Исследования автора позволяют решить важную народно-хозяйственную и научную проблему - снижение затрат на производство продукции растениеводства.
Предложена система агротехнических мероприятий, направленных на использование растительно-микробных взаимодействий, позволяющая в условиях производства экономить 37-49 тыс. т минеральных азотных удобрений.
Разработаны элементы агротехники для гороха посевного, люпина узколистного и сои с учетом сортовых особенностей растений и генотипа полезных ризосферных микроорганизмов, способствующие снижению производственных затрат на 30-50%.
Впервые с помощью методов молекулярно-генетического анализа дана количественная характеристика основных групп почвенного микробного сообщества темно-серой лесной почвы, в том числе диазотрофов.
Показана возможность использования параметров первичных реакций фотосинтеза в качестве теста на чувствительность растений к микробным препаратам (и другим экзогенным влияниям).
Материалы исследований включены в учебные пособия для аграрных вузов и рекомендованы УМО ВУЗов Российской федерации по изучению ТПХПР и растениеводству.
Положения выносимые на защиту. Ресурсосберегающие принципы оптимизации агроэкологического состояния агроценозов и пашни в регионе с учетом полифункциональных свойств растительно-микробных симбиозов.
Комплексная хозяйственно-биологическая оценка результатов взаимодействия генотипов бобовых с различными группами полезной ризосферной микрофлоры и их роль в увеличении эффективности РМС в агроценозах при максимальном вовлечении биологического азота в продукционный процесс.
Роль растительно-микробных взаимодействий в изменении биогенности почвы и адаптации растений к биотическим стрессам.
Способы экзогенной регуляции РМВ, повышающие экологическую приспособленность сельскохозяйственных культур и качество продукции
растениеводства на основе эффективного использования солнечной энергии и снижении ресурсозатрат.
Экономическая и биоэнергетическая оценка создания растительно-микробных систем в агроценозах многолетних и однолетних бобовых культур.
Апробация работы. Основные результаты исследований были апробированы на научно-теоретических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орел, 1999 - 2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Роль современных сортов и технологий в сельскохозяйственном производстве» (Орел, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в отраслевую науку с учетом современных тенденций развития АПК» (Москва, 2008); Всероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах (Пущино, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Курск, 2009); Всероссийской конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Сергиев Посад, 2009); Всероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах» (Пущино, 2009); Первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); Втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); Международной конференции молодых ученых стран Восточной Европы (г. Штуттгарт, 1999); Международной научно-методической конференции «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2001); Втором Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008); Международной научно-практической конференции ОФР «Интенсификация и оптимизация продукционного процесса сельскохозяйственных растений» (Орел, 2009); 14-й Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2010). II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2010); Международной конференции DGaaE (Гёттинген, 2009), Энтомологическом конгрессе DGaaE (Берлин, 2011.).
Результаты исследований послужили основой для создания научных проектов, ставших победителями во всероссийских и международных конкурсах: Российского фонда фундаментальных исследований офиц №07-04-13566 (2007), офиц №08-04-13565 (2008-2009), мобст №09-04-90815 (2009), мобст №11-04-90813 (2011); Российского аграрного движения (РАД) в номинации «Лучший инновационный проект в сфере АПК» (Орел, 2010) и Научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 (Москва, ВВЦ, 2010); Германской службы академических обменов ДААД «Николай Вавилов» (Штуттгарт, 2002, 2006) г.; Европейском международном конкурсе Erasmus-Mundus (Штуттгарт, 2008).
Результаты исследований экспонировались на выставке молодежных проектов II Всероссийского молодежного Конвента в 2009 г. (победитель регионального Конвента в номинации «Лучший инновационный проект»), на ВВЦ «НТТМ-2010» в 2010 г. (золотая медаль).
Полученные результаты явились основой научно-исследовательской работы, выполненной по двум Государственным контрактам с Министерством сельского хозяйства Российской ГК 1301/13 и ГК 02.512.11.2069 «Сохранение и восстановление плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 гг.».
Результаты работы использованы в учебном процессе и вошли в
учебное пособие «Адаптивные технологии возделывания
сельскохозяйственных культур в условиях Орловской области», Орел: изд-во ОрелГАУ. - 2010. - 210 с; Практикум по растениеводству. - М.: КолосС, 2010.-240 с.
Публикации. По теме диссертации в отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 60 работ, в том числе 20 - в рецензируемых изданиях, а также 1 монография.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 342 страницах текста, состоит из введения, шести глав, выводов, предложений производству. Содержит 61 таблица и 64 рисунка. Список литературы включает 595 источников, в том числе 192 на иностранных языках.
Виды растительно-микробных взаимодействий и их значение для. агроэкосистем
Способностью подавлять развитие заболеваний растений может осуществляться двумя путями: 1) микросимбионт синтезирует антибиотические метаболиты, ингибирующие патогены; 2) индукция иммунных реакций растения-хозяина.
Роль продукции антибиотиков! в защите растений непосредственно в почве была показана в исследованиях Д .В. Мавроди (Мавроди, 1997) по бактеризации, семян пшеницы штаммом Р: fluoresceins 2-79 и его дефектным по синтезу феназинового антибиотика мутантом. Защиту астений от возбудителя коневой 1 гнили обеспечивал только- исходный штамм с нормальной продукцией феназин-1-карбоновой кислоты.
Энтеробактерии часто обладают ярко выраженной способностьюь к подавлению роста фитопатогенов. Так, представители родов Enterobacter и Escherichia достоверно снижали поражённость огурцов корневыми гнилями (возбудитель - Pythium ultimum) при обработке семян в дозах около 107 КОЕ/семя (Roberts et al., 1997). Активный азотфиксатор Klebsiella planticola ТСХА-91 обладал фунгистатической активностью- по отношению к ряду фитопатогенных грибов: Penicillium, Aspergillus, Thelaviopsis, Alternaria, Mucor, что было обусловлено ёго способностью к биосинтезу антибиотических веществ антрамицинового ряда (Емцев- с соавт., 1995). Развитие твердой головни на яровой пшенице эффективно предотвращали штаммы» Bacillus subtilis ИБ-15, Bacillus sp. "739 (Кузьмина и др., 2003). Некоторые штаммы Serratia и Bacillus продуцируют внеклеточные хитиназы, благодаря которым происходит ингибирование патогенов (например, Fusarium) на различных стадиях их развития, включая прорастание конидии и развитие гиф на поверхности корней (Popova, Khatskevich, 2004)
Ризобактерии активно продуцируют такие антибиотики, как 2,4-диацетил-флороглюканол, пиролнитрин, пиолютеорин, 2-гексил-5-прогшл резорцинол и циклические липопептиды (Koch et al., 2002; De Souza et al., 2003; De Bruijn et al., 2007). При этом прямое подавление патогенов наблюдается при активной колонизации поверхности корня (Кравченко, 2006). Однако в ряде случаев это не подтверждается и подавление деятельности патогенов осуществляется малыми количествами бактерий, поскольку инокуляция ризобактериями приводит к индукции у растений системной устойчивости (ISR-реакция); что обусловливает невосприимчивость растений к инфекции патогенами (Van Loonet al., 1998). Чаще всего это наблюдается при, колонизации- бактериями ризопланы или при проникновении их в наружные тканиі корня.
Индукция резистентности к фитопатогенам продемонстрирована в, работах А .МІ Воронина (1998) (Воронин, 1998). Например, обработка корней бобов и гвоздики определенными штаммами- PI putida повышала устойчивость растений к Fusarim solani. При1 этом отмечается , усиление лигнификации. корневой ткани и повышение содержания- фитоаллексинов» в стеблях растений. В опытах с P. fluorescens ЄНАЄЬ было, показано,» что данный штамм помимо антибиотиков- и сидерофоров . продуцировал цианистый водород и эффективно подавлял заболевание табака, вызываемого фитопатогенным грибом Thielaviopsis basicola.
Усановлено, что инокуляция корней Medicago truncatula биоконтрольным штаммом Р: fluorescens наблюдалась индукция некоторых генов растений, контролирующих сигнальные взаимодействия с ризобиями и микоризными грибами, что доказывает общность молекулярных механизмов взаимодействия растений с внутриклеточными и ассоциативными симбионтами (Sanchez et al., 2005).
Увеличение количества азотфиксирующих клубеньков и повышение активности нитрогеназы (Akao et al., 1999) может происходить за счет выделения ассоциативными бактериями ИУК или изменения- метаболизма флавоноидов у растения (Lambrecht et al., 2000). Также имеются сведения о том, что инокуляция растений ассоциативными ризосферными бактериями приводит к стимуляции эндосимбиоза с AM, что в конечном итоге приводит к улучшению накопления биомассы инокулированных растений (Singh et. al., 1990; Barea, 1998) и выражается в формировании тройственных растительно-микробных симбиозов (Штарк, 2006; Тихонович, Проворов, 2009).
Многие ризосферные бактерии способны синтезировать различные фитогормоны, и в частности, ауксин,- индолил-3-уксусную кислоту (ИУК), которые могут стимулировать рост растений на различных стадиях развития (Costacurta1, Vanderleyden, 1995): Ризосферные бактерии могут содействовать поступлению в растение минеральных веществ, переводя" их из нерастворимой формы в растворимую (Kloepper et ak, 1988; Crowley et alt, 1988), синтезировать некоторые низкомолекулярные соединения и ферменты, например, АСС-дезаминазу, предотвращающую синтез стрессового растительного гормона этилена, что также приводит к улучшению роста растений (Glick et al., 1995), а также уменьшать стрессовое воздействие на растение неблагоприятных условий среды (Кунакова, 2000).
Следовательно, широкий комплекс функций защитных ризосферных ассоциаций, включая питание растений, повышение устойчивости к абиотическим стрессам, стимуляцию азотфиксирующей способности, свидетельствует ок значительных перспективах использования защитных симбиозов в сельскохозяйственной практике.
ДНК выделяли из навески почвы 0.5 г, которую отбирали в пластиковую пробирку (2 мл) с завинчивающейся крышкой. К каждой навеске добавляли 750 мкл буфера I (СТАВ 2%; TRIS-HC1 0.1М; EDTA 20 мМ; NaCl 1.4 М; рН=8.5) и 0.5 г стеклянных шариков (0.35 мм). Пробы прогревали в течение 30 мин при 65 С. Разрушение пробы проводили в гомогенизаторе FastPrep 24 (M.P.Biomedicals) в течение 1 мин при максимальной интенсивности встряхивания (6.5 м/с). Затем прогревание повторяли. Пробу дважды экстрагировали хлороформом, суммарную ДНК осаждали изопропанолом, растворяли в 100 мкл буфера ТЕ (TRIS-HC1 10 мМ; EDTA 1 мМ) и смешивали со 100 мкл расплавленной 2% легкоплавкой агарозы (Sigma). После застывания агарозные блоки несколько раз отмывали в в 2-х мл буфера ТЕ (3 раза по 3 часа). Далее агарозу расплавляли при 65 С, добавляли ацетат натрия до конечной концентрации 0.3 М, дважды экстрагировали фенолом, один раз фенол-хлороформом (1:1), один раз хлороформом, последний раз отбирали 350 мкл водной фазы. ДНК осаждали изопропанолом, промывали 70% этанолом, подсушивали и растворяли в 50 мкл воды (Ausubel, 1994). Выход ДНК был весьма значителен и составлял не менее 2 мкг ДНК на г почвы.
Определение численности основных групп микроорганизмов проводили с использованием ПЦР с детекцией в реальном времени (Real time). В качестве контроля для бактерий использовали клонированные фрагменты таксономически значимых генов: 16S рРНК Escherichia coli для количественного определения бактерий, 16S рРНК штамма FG-07 Halobacteriam salinarum (данные неопубликованы, Г.Юргенс, Университет Хельсинки) для количественного определения- архей, ITS штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae Meyen 1B-D1606 для количественного определения грибов. Были использованы, следующие- праймеры: ЕиЬ338/ЕиЬ518 - для бактерий. (Fierer, 2005), arc915f/arc 1059г - дляї архей (Yu, 2005), ITS Iff5.8s -для грибов (Fierer, 2005). Указанные праймеры- использовали дляї количественного определения прокариот со следующим температурным-профилем: 94С -Юс; 63С - 10 с; 72Є - ЗОх; детекцию флюоресценции проводили при1 72С. Во всех случаях использовали Taq-полимеразу (Хеликон) - 2 ед. на реакцию, в реакционную смесь добавляли SYBR-green (Amresco) до конечной концентрации 0 3 х и флюоресцеина изотиоцианат (конечная концентрация 10 нм). ГЩР с детекцией в- реальном времени проводили в амплификаторе iCycler (BioRad) в. трех повторностях. Для обработки результатов количественной- ГЩР использовали программное обеспечение, прилагающееся к. прибору iCycler. Количественные характеристики выражали в.числе копий РЫК-оперонов.
Для количественной оценки азотфиксирующего прокариотного сообщества почвы, была проведена амплификация гена nifH, кодирующего Fe-белок нитрогеназы, и являющегося маркером азотфиксации (Вечерский, 2008; Лавриненко и др., 2009; Young et al., 1992; Ben-Porath et al., 1994; Fedorov et all; 2008)
Амплификацию!фрагмента гена nifH проводили с использованием пары вырожденных праймеров Fl- R6 (Марусина и др., 2001), синтез которых осуществляла фирма «Синтол» (Москва). Продукты амплификации подвергали электрофорезу в 1%-ном агарозном геле и окрашивали этидиум бромидом. В качестве электрофоретического буфера использовали 0:5х трис-ацетатный буфер (ТАЕ буфер). После электрофоретического разделения полосы ДНК визуализировали в проходящем ультрафиолетовом свете.
Объем реакционной смеси для ПНР Realime составлял 25 мкл., в каждую из которых добавляли 2 ед. Taq-полимеразы и SYBR-green. Температурно-временной профиль ПНР был следующим: первый цикл - 94С 3 мин, 50С - 3 мин и 72С - 3 мин;, последующие 5 циклов - 94С - 30 сек., 50С - 2 мин и 72С - 30 сек.; последние ЗО циклові- 94С - 30 сек., 40С - 30 сек. и 72С - 30 сек. и окончательная полимеризация при 72С - 7 мин. ПЩР с детекцией в реальном времени проводили?в амплификаторе iCycler (BioRad)! в трех повторностях.
Учет продуктивности проводили с единицы площади и с одного растения. Площадь учетной, делянки составляла 5м2, а количество анализируемых растений по каждому сорту и варианту не менее 80 шт. Отбор растений осуществляли по мере наступления уборочной спелости с двух метровых рядков на каждой делянке.
Изучение структуры урожая у растений, отобранных в фазу полной спелости, проводили согласно методике Госсортсети (1971).
Пораженность растений гороха аскохитозом определяли по методике A.M. Овчинниковой и др. (1998); корневыми гнилями и мучнистой росой - по В.А. Захаренко и др: (2000); яровой и озимой-пшеницы - септориозом,,бурой и стеблевой ржавчиной - по В.А. Захаренко и др. (2000) и Н.Н. Лысенко (2005).
Степень повреждения растений гороховой зерновкой (Bruchus pisorum L), гороховой тлей (Acyrthosiphon pisum Harr.), плодожоркой (Laspeyresia nigricana Steph) и клубеньковыми долгоносиками (PI Sitona Germ.) учитывали по методикам, предложенным И:Д. Шапиро и др. (1978) и Н.Н. Лысенко (2005).
Методика исследований
Эндофиты - это организмы, которые способны проникать и колонизировать внутренние ткани растения; не вызывая- у них каких-либо симптомов заболевания (Wellington1 et al., 2001; Чеботарь, 2007). Бактерии рода Rhizobium не единственные колонизаторы- корней растений. Известно, что бобовые вступают во взаимодействия? с различными группами микроорганизмов-эндофитов (ризобии, бациллы, псевдомонады, микоризные грибы), образуя; так. называемый,би- и мультипартитный симбиоз.
Учитывая; что хемотаксис является ключевым условием в становлении растительно-микробных взаимодействий, интересно оценить влияние генотипов бобовых культур и различных групп эндофитов на эффективность. образуемых РМЄ.
Результаты наших исследований показали, что эффективность растительно-микробных взаимодействий зависит как от вида бобовых растений, так и от группы микросимбионта (рис. 8). Например, взаимодействие двух сортов сои с грибами арбускулярной микоризы обеспечило г наибольшее повышение семенной продуктивности растений по сравнению с ризобактериями и клубеньковыми диазотрофами. В среднем за 4 года исследований прибавка массы семян от внесения АМГ составила 17%, тогда как инокуляция PGPR и Rhizobium - 11 и 13%, соответственно. Вместе с тем, максимальный эффект от внесения в почву эномикоризных грибов был достигнут при. взаимодействии последних с люпином узколистным (+26%). Интродукция грибов AM в ризосферу гороха посевного способствовала увеличению зерновой продуктивности растений в среднем по двум изученным сортам на 12%,
Значительные прибавки по массе семян отмечены при инокуляции гороха и люпина клубеньковыми бактериями. Эффективность взаимодействия трёх штаммов p. Rhizobium с двумя сортам люпина и тремя сортами гороха в среднем по годам исследований была сопоставима и составила 30%, тогда как у сои (в среднем по 2 сортам) этот эффект был в 2,3 раза ниже (13%).
Вариабельность воздействия PGPR на продуктивность различных видов бобовых растений была незначительной и колебалась от 11 до 18%. При этом в посевах сои данная группа микроорганизмов оказывала равнозначный эффект как на продуктивность растений, так и на содержание белка в зерне (рис. б). Сопоставимое воздействие на качество семян сои также оказали микоризные грибы и клубеньковые бактерии, увеличив белковость семян на 10%.
В опытах с горохом и люпином качество зерна возрастало в меньшей степени, чем масса зерна: по»группе ризосферных бактерий — в среднем 3,4 раза, по грибам AM - в 3,6 раза и по Rhizobium — в 2,5 раза. Наиболее существенное накопление белка в семенах люпина и гороха отмечено при взаимодействии растений с клубеньковыми бактериями, где относительная эффективность инокуляции составила 10 И 7% соответственно.
В целом можно отметить, что соя? способна формировать эффективный симбиоз со всеми тремя группами эндофитов, которые примерно в, равной степени оказывают влияние, как на- продуктивность растений, так и на качество семян. Для люпина узколистного наиболее предпочтительным оказалось взаимодействие с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами, хотя последние не оказали существенного влияния на содержание белка в зерне. В свою очередь, горох посевной наиболее эффективный симбиоз формировал со штаммами р: Rhizobium, воздействие которых на увеличение массы зерна было в 4,2 раза выше, чем на качество:
Выявленная видовая специфичность бобовых по отношению к различным группам микроорганизмов связана как с биологическими особенностями культур, так и с механизмом действия эндофитов. Так, например, механизмом повышения урожайности бобовых культур при инокуляции ризобиями является» обеспечение растений азотом (Мильто, 1982; Кожемяков, 1989; Посыпанов, 1993; Проворов, Тихонович, 2002, 2009; Hansen, 1994; Vance, 2002 и др.). При этом принадлежность-гороха и люпина к группе бобовых с преобладанием автотрофного типа питания азотом объясняет их высокую отзывчивость на инокуляцию клубеньковыми бактериями, тогда как эффективность последних в посевах сои, характеризующейся смешанным типом питания (Проворов, 1996; Кожемяков, 2003), проявилась в 2 раза слабее.
Механизмом повышения продуктивности и качества зерна сои и люпина при формировании эндомикоризного симбиоза является улучшение водоснабжения растений, поскольку данные виды бобовых, по сравнению с горохом, предъявляют повышенные требования к влагообеспеченности (их коэффициент транспирации в 1,5 раза, выше). Другим механизмом; вызвавшим подобный эффект могла1 быть- ведущая роль АМ-грибов в поставке фосфатов растениям (Юрков, 2009; Hart, Reader, 2002), однако данное предположение менее вероятно в связи с тем; что почвы опытного участка характеризовались повышенным содержанием фосфорных соединений.
Оценка генотипического вклада партнеров симбиоза в контроль продуктивности симбиотической системы (рис. 9) показала, что у сою вклад генотипов микроорганизмов является основным фактором, влияющим на семенную продуктивность и значительно превосходит действие сортов растений (в 6 раз), а также взаимодействие «сорт-эндофит» (в 2 раза). У люпина, напротив, наиболее существенное влияние на эффективность симбиоза оказывал сорт растений (52%), тогда как вклады генотипов микроорганизмов и сорто-штаммовое взаимодействие были в 3-3,5 раза меньше. Основными факторами, определяющими продуктивность симбиотической системы гороха являлись сортовые генотипы и их взаимодействие с эндофитами.
Способность видов бобовых формировать эффективный симбиоз с различными группами эндофитов
Следует отметить, что наряду с увеличением надземной массы и мощности симбиотической системы при инокуляции семян сои клубеньковыми бактериями отмечается снижение сырой массы корней. Данный факт может свидетельствовать о достаточно высокой эффективности симбиоза, поскольку не- требуетсяі дополнительных- затрат углерода на увеличение массы корней (Provorov et al., 1994; Тихонович, 2009).
Отсутствие прибавки по продуктивности и преимущества в формировании симбиотического аппарата у сорта Geana в полевых условиях, скорее говорит о невысокой эффективности производственного г штамма, в сравнении аборигенными микроорганизмами; Последняя часто обусловлена слабой конкурентностью штамма ш отношению к местным популяциям клубеньковых бактерий. При-, этом, необходимо учитывать, что положительное действие ризобий, определяемое только по. величине урожайности, неполностью отражает их эффективность, так как инокуляция может значительно повышать содержание белка в растениях (Васильчиков, 1999).
Регуляция кислотности почвы и применение микроэлементов Следующим важнейшим фактором, ограничивающим активность симбиоза, как в Центрально-Черноземном регионе, так и в Нечерноземной зоне, считается повышенная кислотность почвы. Для-большинства бобовых культур оптимальное значение рНсОЛ находится в пределах 6,5...7,5. Доказана устойчивая специфичная реакция симбионтов на изменение рН. Например, лядвенец рогатый удовлетворительно фиксирует азот воздуха (120 кг/га) и дает достаточно высокий урожай сена — 6,5 т/га даже при рНС0Л 4,2. Клевер луговой при той же кислотности фиксирует азота в 9 раз меньше, а люцерна не усваивает азот воздуха. При снижении кислотности до рНсОЛ 6,5 урожайность лядвенца возросла в 1,5 раза, клевера лугового - в 4 (с 2,6 до 10,8 т/га), а люцерны - в 6 раз (Фарниев, 1997; Бекбулатов, 1995; Посыпанов, 1993). Т.В. Воронкова (1982) в своих исследованиях также отмечает повышение симбиотической активности, урожайности и белковой продуктивности клевера лугового при рНС0Л 6,0...6,4, который сформировал активный симбиотический потенциал (АСП) в размере 24,2 тыс. кг дней/га. По мнению В.К. Шильниковой (1970), кислая реакция среды в значительной степени влияет на ультраструктуру клубеньковой ткани. Это проявляется- в.. изменении структуры и сокращении1 времени- активной функционированиям инфекционных нитей. Уместно заметить, что на кислых почвах, при недостатке питательных веществ бобовые растения не могут обеспечить себя биологически! активными веществами, которые стимулируют их рост и проявляют антимикробное действие на фитопатогенные микроорганизмы (Лапинскас, 2002).
Необходимо отметить, что при доведении реакции до слабощелочной-нисколько не снижается урожайность таких культур как клевер луговой, лядвенец рогатый, люпин желтый, вика посевная, а для люцерны наиболее благоприятное значение рНс0Л 6;5...7,5 (Кашин, Посыпанов, 1993; Борисевич, 1997; Фарниев; 1997; Посыпанов, 1993
Кроме того, на кислых почвах в малоподвижном состоянии находится молибден (Мо), который входит в состав нитрогеназы, а его недостаток отрицательно, сказывается на образовании клубеньков, в которых подавляется синтез леггемоглобина и нарушается синтез аминокислот. В. тоже время, на нейтральных или произвесткованных почвах растения ощущают нехватку в боре (В), при недостатке которого в клубеньках не образуются сосудистые пучки и вследствие этого нарушается нормальное развитие бактероидной ткани (Лебедев, 1952; Пейве, 1965, 1971; Dyckmans, 1986; Schnotz, 1995). Фитостимулирующую роль микроэлементов на азотфиксирующую способность люцерны также установили в своих опытах Х.М. Унежев и B.C. Бжеумыхов (1996).
В этой связи, с целью оптимизации симбиотрофного питания многолетних бобовых трав в 1998-2001 гг. в ОрелГАУ был проведен стационарный полевой опыт, где изучалось влияние известкования и обработки семян борной кислотой на симбиотическую активность, урожайность и белковую продуктивность клевера ВИК 7, люцерны Вега 87 и козлятника восточного Гале.
Результаты! исследований» показали; что при оптимизации основных почвенных параметров . (рН; микроэлементы)- показатели симбиотической деятельности многолетних бобовых трав4 повышались на 30...50%, а наибольшая их величина была у козлятника восточного (масса клубеньков доходила до1425...606 кг/га) (табл. 17).
Формирование микробного сообществштемно-серойшесной почвы в:зависимостшот формирования эффективных РМС
Известно, что устойчивость любой экологической системы прямо связана с силой взаимосвязи между соседними видами, которую осуществляют микроорганизмы (Заварзин, 2005). Еще в 1896 году Сергей Николаевич Виноградский сформулировал представление о Земле как о большом организме, который работает на микробах-катализаторах.
В процессе своей хозяйственной деятельности мы не- учитываем колоссальный биологический потенциал почвы: в 1 г почвы находится несколько млрд. живых микроорганизмов, относящихся к многим тысячам видов, а совокупный генетический материал 1 г почвы.превышает миллион человеческих геномов (Тихонович, 2011). Мы методично «убиваем» самый главный фактор1 почвообразования и к плодородия - микроорганизмы. В результате - современные потери продуктивных земель в 30 раз выше среднеисторических и в 2,5 раза выше, чем за последние 300 лет. По современным оценкам 1,2 млрд. га сельскохозяйственных угодий находится в состоянии деградации. Поэтому, принимая меры для сохранения и повышения почвенного плодородия и повышения устойчивости растениеводства в. целом, необходимо помнить об основополагающем значении почвенной микрофлоры в почвообразовании. Об этом писали в своих классических трудах В.Р. Вильяме, В.В. Докучаев, Д.Н. Прянишников. " Микроорганизмы не только разлагают органические остатки на более простые минеральные и органические соединения, активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений (гуминовых и фульвокислот), образуют запас питательных веществ в почве, но образуют ассоциации и симбиозы с культурными растениями, обеспечивая их минеральное питание, адаптацию к абиотическим стрессам, а также защиту от патогенов и вредителей.
Фотосинтез — уникальный биологический процесс, который обеспечивает введение в биосферные процессы энергии, освобождаемой при термоядерном синтезе на солнце, и составляет основу первичной биопродуктивности в природных экосистемах и при формировании урожая сельскохозяйственных растений (Мокроносов, Гавриленко, 2006).
Открытием процесса фотосинтеза мы обязаны Дж. Пристли, который в 70-х годах XVIII века показал в своих работах фотозависимое выделение кислорода зелеными растениями, однако сам термин «фотосинтез» (греч. phos — свет, synthesis — соединение частей) был предложен американским физиологом Чарльом Барисом (C.R. Barnes) только в 1893 году.
В 1817 г. французские химики Петелье (PJ. Petelier) и Квантау (J.B. Caventou) выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом (греч. chloros — зелёный, phyllon - лист). Мысль о том, что растение преобразует поглощенную энергию в химический потенциал впервые высказали в 1847 году немецкие физики Майер (R. Mayer) и фон Гельмгольц (Н. von Helmholtz). В 1875 году- К.А. Тимирязев с помощью химического . микроанализа доказал, что максимальное выделение кислорода и максимальное накопление крахмала наблюдается в красных лучах, т.е. в той спектральной области, где хлорофилл сильнее всего поглощает видимый свет. Это означало, что фотосинтез подчиняется- первому началу термодинамики, или закону сохранения энергии.
Концепция фототрофии приобрела завершенный вид в начале 1960-х годов, когда Питер Митчел разработал теорию хемиосмотическоо сопряжения электрон-транспортных - процессов с фосфорилированием АДФ (Пиневич, 2007).
Основные положения теории фотосинтетинеской продуктивности были сформулированы в 1950-х годах А;А Ничипоровичем; в? основе которой лежат глубокие исследования? продукционного процесса, включающие физико-химическуюорганизщиюи активность фотосинтетического аппарата-на уровне мембрані,: хлоропластові., листш и: целого: растения , взаимосвязь интенсивности- ; фотосинтеза- роста и: развития: растений с: процессами: минерального: питания дыхания- транспорта, веществ: и формирования; генеративных:и -запасающих органовгЙ структур;:
