Влияние бактериальных инокулянтов на резидентный микробоценоз и продуктивность гороха

Сафронова Г.В., Суховицкая Л.А., канд. биол. наук, Короленок Н.В., Тагиль И.И., *Лукашевич Н.П., доктор с.-х. наук

Институт микробиологии НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь

*Институт земледелия и селекции НАН Беларуси, г. Жодино, Беларусь

 

Одним из реальных способов адаптивной интенсификации земледелия является создание и внедрение микробных технологий, основанных на применении биопрепаратов, состоящих из монокультур и ассоциаций высокоэффективных штаммов диазотрофных и фосфатмобилизующих микроорганизмов [1]. В аграрно-развитых странах до одной трети общей площади зерновых и зернобобовых культур бактеризуют такими микробными препаратами и за счет этого на 25–40% сокращают потребление дорогостоящих и экологически небезопасных минеральных удобрений. В странах СНГ для улучшения азотно-фосфорного баланса почв и повышения урожайности важнейших сельскохозяйственных культур разработаны технологии получения Флавобактерина, Агрофила, Агростимулина и др. [2]. В Беларуси в ГНУ “Институт микробиологии НАН Беларуси” под зерновые, зернобобовые и овощные культуры созданы монобактериальные препараты Ризобактерин, Ризобактерин-С, Сапронит и Фитостимофос, альтернативные минеральным азотным и фосфорным удобрениям [3]. Относительно низкие энерго- и материалоемкость биотехнологических производств обуславливают приоритетность их освоения, а экологичность биопрепаратов является существенным аргументом применения на фоне загрязнения окружающей среды химическими и радиоактивными веществами.

Ризосфера растений является той экологической нишей, в которой происходит адаптация интродуцентов и резидентной микрофлоры друг к другу, в связи с чем эффективность функционирования микробного комплекса в направлении повышения его азотфиксирующей и фосфатмобилизующей активности в значительной степени зависит от интеграционного взаимодействия инокулянтов с микроорганизмами, доминирующими в ризосфере растений. Закономерности взаимодействия микроорганизмов в прикорневой зоне растений изучены недостаточно.

Цель работы – изучить влияние новых одно- и двухкомпонентных (симбиотрофно-фосфатмобилизующего: R. leguminosarum + Streptococcus sp. 35 и разновидового диазотрофного:

R. leguminosarum + Kl. planticola 5) инокулянтов, обладающих комплексом полезных для растений свойств: ростостимуляция, обусловленная синтезом ?-ИУК, биологическая фосфатмобилизация или азотфиксация, на микробоценоз ризосферы и урожайность гороха в природных экосистемах.

Ценотическое взаимодействие инокулянтов с микроорганизмами, доминирующими в ризосфере Pisum sativum L., изучали в полевых опытах. Резидентные микробные сообщества исследовали на уровне, отражающем его функциональные свойства: биологическую азотфиксацию и фосфатмобилизацию.

Под влиянием диазотрофных инокулянтов количество резидентных азотфиксирующих микроорганизмов, доминирующих в ризосфере инокулированного гороха, увеличилось. Так, в фазу массовых всходов растений их численность в вариантах с интродукцией моноинокулянтов (R. le-guminosarum bv. pisum 5114, Kl. planticola 5) и разновидовой диазотрофной ассоциации (R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Kl. planticola 5) составляет 5,5, 8,0 и 12,5 млн. КОЕ/ г. абс. сух. в. соответственно. В период бутонизации-цветения гороха плотность резидентного азотфиксирующего сообщества возрастает по сравнению с контролем в 10,7, 2,1 и 5,7 раза соответственно. Доля генетически маркированного азотфиксирующего интродуцента Kl. planticola 5 в составе диазотрофных микроорганизмов в фазу массовых всходов составляет 0,48% (монокультура) и 1,51% (бинарная ассоциация), в фазу бутонизации-цветения – 4,0% и 8,8% соответственно. Доля природной популяции R. leguminosarum bv. pisum в общей численности олигонитрофильных микроорганизмов под влиянием интродукции R. leguminosarum bv. pisum 5114 увеличивается по сравнению с контролем в среднем в 13 раз, что может способствовать возрастанию азотфиксирующего потенциала ризосферы.

Интродукция фосфатмобилизующего инокулянта как в монокультуре, так и в популяции с клубеньковыми бактериями, стимулирует развитие резидентного фосфатмобилизующего сообщества ризосферы гороха в течение всего вегетационного периода. В вариантах с интродукцией ФМ-инокулянта этот показатель превышает контроль в среднем на порядок. Доля генетически маркированного фосфатмобилизующего интродуцента Streptococcus sp. 35 в составе фосфатмобилизующей ассоциации в стадии массовых всходов и в фазе бутонизации-цветения составляет 2,8 – 7,6%.

Применяемые для обработки семян высокоэффективные селекционные штаммы клубеньковых бактерий должны обладать высокой конкурентоспособностью, чтобы выдерживать конкуренцию с аборигенными популяциями ризобий и образовывать на корнях растений клубеньки в присутствии родственных им видов резидентных бактерий.

Выделение реизолята R. leguminosarum bv. pisum 5114 свидетельствует о его высокой конкурентоспособности: 48–57% клубеньков образованы штаммом-инокулянтом. Количество клубеньков на корнях гороха, инокулированного монокультурой ризобиального штамма и бинарными ассоциациями, в фазе массовых всходов выше в среднем в 1,7, в период бутонизации-цветения – в 3,1 раза (табл. 1). Максимальная нодулирующая активность выявлена в варианте с инокуляцией разновидовой диазотрофной ассоциацией.

 

Таблица 1Влияние инокуляции на образование клубеньков, азотфиксирующую активность и накопление фитомассы растениями гороха сорта Зазерский усатый

 

Streptococcus sp. 35

 

Варианты инокуляции	Фаза массовых всходов			Фаза бутонизации-цветения
	Количество клубеньков, шт./раст.	Азотфиксирующая активность, нМ С2Н4/раст./ч	Сухая фито-масса, мг/раст.	Количество клу-беньков, шт./раст.	Азотфиксирующая активность, нМ С2Н4 / раст. / ч	Сухая фито-масса, мг/раст.
Контроль (без инокуляции)	18	22,22	380,6	18	2,4	2900,8
R. leguminosarum bv. pisum 5114	24	106,35	500,9	43	21,5	7701,7
17	30,16	468,6	26	4,0	3109,0
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Streptococcus sp. 35	33	73,81	724,7	58	19,4	4850,0
Kl. planticola 5	20	172,22	467,4	28	22,0	9000,0
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Kl. planticola 5	37	269,05	658,4	65	29,0	9456,7

 

Определение азотфиксирующей активности на корнях гороха сорта Зазерский усатый показало, что корневые клубеньки, образованные при участии штамма-инокулянта, в фазе массовых всходов обладали азотфиксирующей активностью в 5,9 раза выше, нежели в контроле. В фазе бутонизации-цветения этот показатель снижался. Максимального значения НГ-активность достигала в варианте в бинарной инокуляцией R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Kl. planticola 5 и составляла 269,0 нМ С₂Н₄/раст./ч. Актуальная азотфиксирующая активность в варианте с интродукцией разновидовой диазотрофной ассоциации в среднем в 1,9 раза выше, чем при моноинокуляции R. leguminosarum bv. pisum 5114 и Kl. planticola 5.

Интродуцированные штаммы на протяжении всего периода исследований достоверно повышали урожай фитомассы гороха и по эффективности существенно превосходили контроль. Прирост урожая сухой фитомассы в первую фазу вегетации при инокуляции монокультурами и бинарными ассоциациями в среднем составил по отношению к контролю 183,4 мг/раст. (48%), в фазу бутонизации-цветения – 35%.

Инокулянты способствовали не только увеличению урожая фитомассы, но и значительно повышали урожайность зерна гороха (табл. 2). Прибавка урожая от инокуляции исследуемыми микроорганизмами на безазотном фоне составила в среднем 1,8 ц/га или 6% по отношению к контролю.

Максимальные прибавки урожая гороха сорта Зазерский усатый получены в вариантах с инокуляцией двухкомпонентными ассоциациями: они составили в среднем по сравнению с контролем 2,65 ц/га (9%) и 1,4 ц/га или 5% по отношению к моноинокуляции.

Формирование симбиоза между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями представляет собой многоэтапный процесс, подверженный воздействию минерального азота Известно, что высокие дозы минерального азота ингибируют процесс образования и функционирования системы симбиоза, воздействуя с самых ранних этапов и непосредственно до конца процесса азотфиксации [4]. Однако рядом авторов установлено, что в присутствии нитратного азота в невысоких концентрациях (1мМ NO₃) происходит специфическое связывание ризобий с корневыми волосками растения [5]. Как видно из данных, представленных в табл. 3, инокуляция гороха сорта Зазерский усатый R. leguminosarum bv. pisum 5114 на фоне N₃₀ способствовала приросту урожайности на 2,8 ц/га, или 9%, на фоне N ₆₀ – на 6,8 ц/га, или 22% по сравнению с контролем соответственно.

 

Таблица 2 Влияние инокуляции на урожайность зерна гороха сорта Зазерский усатый, ц/га (2003 год)

Варианты опыта	Урожайность, ц/ га	Прирост урожая, ц/ га	% от контроля	% от моноинокуляции
Контроль (без инокуляции)	31,5	–	–	–
N30	33,1	1,6	5	–
N60	36,1	4,6	15	–
R.leguminosarum bv. pisum 5114	32,7	1,2	4	–
R.leguminosarum bv. pisum 5114 + N30	34,3	2,8	9	–
R.leguminosarum bv. pisum 5114 + N60	38,3	6,8	22	–
Streptococcus sp. 35	32,8	1,3	4	–
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Streptococcus sp. 35	34,1	2,6	8	4
Kl. planticola 5	32,7	1,2	4	–
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Kl. planticola 5	34,2	2,7	9	5
HCP0,5		1,1

 

Таблица 3 Влияние инокуляции R.leguminosarum bv. pisum 5114 на фоне минеральных удобрений на урожайность зерна гороха сорта Агат (средние данные за 2001 –2003 гг.)

Варианты опыта	Урожайность, ц/ га	Прибавка к контролю, ц/га	Прибавка к фону NPK, ц/га
Контроль (без удобрений и обработки)	28,0	–	–
Фон 1 – N8P40K60	33,2	5,2	–
Фон 2 – N30P40K60	34,5	8,5	–
Фон 1 + R. leguminosarum bv. pisum 5114	37,0	9,0	3,8
Фон 2 + R. leguminosarum bv. pisum 5114	41,4	13,4	4,9
HCP0,5		2,1	2,1

 

Урожайность зерна гороха сорта Агат при обработке семян на фоне N₈ P₄₀ K₆₀ в 2001–2003 гг. возрос в сравнении с контролем в среднем на 9,0 ц/га (32%), на фоне N₃₀P₄₀K₆₀ – на 13,4 ц/га (48%) соответственно. В среднем за 3 года прибавка урожайности от инокуляции R. leguminosarum bv. pisum 5114 на фоне N₈P₄₀K₆₀ составила 3,8 ц/га (12%), а на фоне N₃₀P₄₀K₆₀ – 4,9 ц/га (14%), т.е., как показывают полученные результаты, на фоне N₃₀P₄₀K₆₀ действие инокулянта не снизилось, а возросло. Таким образом, применение небольших доз минеральных азотных удобрений не снижало эффективность инокулянта. Обработка R. leguminosarum bv. pisum 5114 на фоне N₈P₄₀K₆₀ по действию была эквивалентна внесению более 20 кг азота/га.

При исследовании влияния инокуляции на урожайность гороха разных сортов выявили наличие сортовой специфичности. Максимальные прибавки урожая зерна гороха получены при инокуляции гороха сортов Агат и Белус – 2,3–6,2 ц/га, или 8–16% (табл. 4–5).

Таблица 4 Влияние инокуляции на урожайность зерна гороха разных сортов, ц/га (средние данные за 2001–2003 гг.)

Варианты опыта	Агат		Белус		Свитанак
	урожайность	прирост	урожайность	прирост	урожайность	прирост
Контроль (без обработки)	41,2	–	38,2	–	39,5	–
R. leguminosarum bv. pisum 5114	43,7	2,5	41,9	3,7	40,9	1,4
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Kl. planticola 5	44,3	3,1	42,6	4,4	41,5	2,0
R. leguminosarum bv. pisum 5114 + Streptococcus sp. 35	43,5	2,3	41,5	3,3	40,4	0,9

 

HCP_0,5 = 2,2 ц/га (2001 г.); HCP_0,5 = 1,9 ц/га (2002 г.); HCP_0,5 = 2,5 ц/га (2003 г.)

 

Таблица 5 Влияние инокуляции на урожайность зерна гороха разных сортов, ц/га (средние данные за 2001–2003 гг.)

Варианты опыта	Агат		Белус		Кудесник
	ур-сть	прирост	ур-сть	прирост	ур-сть	прирост
Контроль (без обработки)	38,4	–	36,8	–	37,1	–
R. leguminosarum bv. pisum 5114	44,6	6,2	41,3	5,0	41,1	4,0

 

HCP_0,5 = 1,6 ц/га (2001 г.); HCP_0,5 = 1,6 ц/га (2002 г.); HCP_0,5 = 2,0 ц/га (2003 г.)

 

Таким образом, полученные данные позволяют констатировать, что:

–искусственные бактериальные инокулянты стимулируют развитие резидентных фосфатмобилизующих и диазотрофных микроорганизмов, увеличивая их численность, что способствует возрастанию азотфиксирующего и фосфатмобилизующего потенциала ризосферы и, как следствие, повышает урожайность растений;

– урожайность гороха в большей степени зависит от инокулянта, доз внесенных азотных удобрений и ее повышение может быть обеспечено только при индивидуальном подборе макро- и микросимбионтов.

Литература

1. Звягинцев Д.Г. Перспективы развития биологии почв // Перспективы развития почвенной микробиологии. – М.: МАКС Пресс, 2001. – С. 10–21.
2. Патыка В.Ф., Шерстобаева В.В. Концепция создания новых препаративных форм биологических препаратов для основных сельскохозяйственных растений // Микроорганизмы в сельском хозяйстве: Тез. докл. IV Всесоюз. науч. конф. (Пущино, 20–24 янв. 1992 г.) / Научный совет АН СССР по проблеме “микробиология”. Всесоюз. общ-во почвоведов. МГУ. Ин-т биохим. и физиол. микроорганизмов. – Пущино, 1992. – С. 161–162.
3. Суховицкая Л.А. Биологический азот: итоги и перспективы развития исследований в Институте микробиологии НАН Беларуси // Проблемы питания растений и использования удобрений в современных условиях: Матер. Межд. науч.-практ. конф. (Жодино, октябрь 2000 г.) / БелНИИЗК. – Минск: Хата, 2000. – С. 505–511.
4. Жизневская Г.Я., Федорова Е.Э. Симбиотическая азотфиксация в неблагоприятных условиях // Биологический азот в сельском хозяйстве СССР.– М.: Наука, 1989.– С. 52–60.
5. Маличенко С.М., Назаренко Н.И., КириченкоЕ.В., Старченков Е.П. О значении лектина корней люпина в установлении контакта между растением и ризобиями при формировании симбиоза // Физиология и биохимия культ. растений.– 1994.– 26, №4.– С. 333–338.