Арбускулярная микориза в полевом севообороте

Введение . Общеизвестно, что препараты арбускулярных грибов используются в большей степени при размножении и выращивании многолетних культур [1]. Исходно внесённый при посадке саженца арбускулярный гриб образует симбиоз и остаётся с растением-хозяином до конца его жизни, усиливая ростовые процессы, улучшая минеральное питание, повышая устойчивость к болезням и абиотическим стрессам. Известно, что у растений, инокулированных арбускулярной микоризой, снижается заболеваемость и степень выраженности симптомов, вызываемых Rhizoctonia, Fusarium или Verticillium, а также оомицетами Phytophtora, Pythium и Aphanomyces [2].

Относительно однолетних полевых культур «опыт показывает, что растения полевой культуры обычно дают нормальную микоризу без специальной инокуляции. Это свидетельствует о широком распространении грибов, образующих микоризу, и по существу снимает вопрос о дополнительном заражении высеваемых семян.» [3.с.313-314]. В настоящее время наиболее изученным является симбиотический период биологического цикла арбускулярных грибов. Именно в этот период на корнях растений-симбионтов в экстра- и интрарадикальном мицелии формируются и созревают покоящиеся хламидоспоры, а также интрарадикальные везикулы, которые после разложения растения-хозяина сохраняются в почве [5].

В лаборатории генетики и биотехнологии ВНИИЗБК под руководством Т.С. Наумкиной впервые в России был осуществлён скрининг генофонда гороха по эффективности взаимодействия с ризобиальными бактериями и арбускулярными грибами. На основе полученных результатов была теоретически обоснована возможность селекции растений на повышение эффективности данного взаимодействия [6]. Немногочисленные исследования касаются влияния тройного симбиоза (растение-хозяин + клубеньковые бактерии + арбускулярный гриб) на культурные растения [7]. Однако направление биологизации земледелия с использованием арбускулярной микоризы ещё недостаточно изучено.

Арбускулярная микориза – это широко распространенная в природе ассоциация корней растений с грибами отдела Glomeromycota. Около 80% видов наземных травянистых и кустарниковых растений, в том числе многие сельскохозяйственные культуры, образуют микоризу … арбускоциты у растений дикого типа отличаются высокой метаболической активностью [9].

Информации о том, что происходит с микоризой в почве поля после уборки урожая, в литературных источниках не обнаружено. Нет и данных о том, какие абиотические стрессы могут лишить жизнеспособности зимующие структуры арбускулярного гриба. Также нет информации о возможности (при необходимости) предотвратить распространение микоризы в посевы некоторых культур, выращиваемых по технологии органического земледелия, при которой допустима лишь поверхностное обработка почвы (до 10 см), что не обеспечивает эффективных результатов по уничтожению сорняков, либо для достижения этой цели требуются дополнительные затраты, что, безусловно, влияет на себестоимость производства продукции. На сайте bashincom.ru [8] применительно к препарату «Кормилица микориза» рекомендуется стратификация спор в почве зимой, что важно и необходимо для повышения скорости колонизации корней весной. Прорастание спор этого штамма гриба начинается с прогреванием почвы до +8оС. И это всё.

Цель – в условиях Орловской области выявить степень влияния природных факторов на формирующийся в агроценозе мицеллярный комплекс, определить пределы его стабильности и эффективности.

Материалы и методика. На Шатиловской СХОС с 2022 г. в мелкоделяночном опыте начато изучение возможностей создания в почве участков биологического земледелия комплекса азотфиксирующих ризобиальных бактерий и арбускулярных грибов.

Для опыта был определён удалённый от основных посевов участок. Учётная площадь делянок - 7,5 м2. На них высевались семена сортов: соя Шатиловская 17, горох Спартак, фасоль Маркиза, чечевица Восточная и бобы кормовые Красный Богатырь. Опыты проводились по следующей схеме: контроль - семена без обработки; 2 – семена обработаны биопрепаратами и арбускулярной микоризой; 3 – семена обработаны химическими препаратами и арбускулярной микоризой; 4 - семена обработаны химическими препаратами (табл. 1).

Таблица 1 - Предпосевная обработка семян бобовых культур (2022 г.)

№ дел.	Культура	Вес семян (г)	Шансил-трио,   КС (мл)	Ризобаш (мл)	Борогум Мо (мл)	Биополистим (мл)	Микориза (г)
1	2	3	4	5	6	7	8
Вариант 1 - контроль
1	Соя	110	-	-	-	-	-
2	Горох	180	-	-	-	-	-
3	Фасоль	250	-	-	-	-	-
4	Чечевица	130	-	-	-	-	-
5	Бобы	250	-	-	-	-	-
Вариант 2 – биопрепараты и арбускулярная микориза
6	Соя	110	-	0,4	0,1	0,1	2
7	Горох	180	-	0,4	0,1	0,1	4
8	Фасоль	250	-	0,5	0,13	0,12	5
9	Чечевица	130	-	0,4	0,1	0,1	2
10	Бобы	250	-	0,5	0,13	0,1	5
Вариант 3 – Химические препараты и арбускулярная микориза
11	Соя	110	1,0	-	-	-	2
12	Горох	180	1,8	-	-	-	4
13	Фасоль	250	2,5	-	-	-	5
14	Чечевица	130	1,3	-	-	-	2
15	Бобы	250	2,5	-	-	-	5
Вариант 4 – Химические препараты
16	Соя	110	1,0	-	-	-	-
17	Горох	180	1,8	-	-	-	-

Продолжение табицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8
18	Фасоль	250	2,5	-	-	-	-
19	Чечевица	130	1,3	-	-	-	-
20	Бобы	250	2,5	-	-	-	-

Схема размещения полевого опыта представлена на рисунке 1.

20   бобы		15   бобы		10   бобы		5   бобы
19 чечевица		14 чечевица		9 чечевица		4 чечевица
18  фасоль		13  фасоль		8  фасоль		3  фасоль
17   горох		12   горох		7   горох		2   горох
16      соя		11    соя		6    соя		1     соя

Рисунок 1 – Схема размещения делянок полевого опыта на экспериментальном участке поля, 2022 г. (1…5 контроль, 6…10 вариант 2, 11…15 вариант 3, 16…20 вариант 4).

В течение периода вегетации проводились фенологические наблюдения, замеры роста растений по вариантам опыта, учёты массы корней и клубеньков на них. В предуборочный период отобраны снопы растений и выполнен их структурный анализ. В фазе созревания были взяты пробы корней изучаемых культур для определения состояния арбускулярных грибов методом световой микроскопией временных препаратов нативного материала.

В 2023 г. этот участок засевали гречихой сорта Девятка и вели наблюдения за ростом и развитием культуры и сорной растительности в зоне присутствия арбускулярного гриба. Проводилась световая микроскопия корней сорняков, определялась площадь распространения микоризы в почве.

В 2024 г. на том же участке проведён посев сои Шатиловская 17 в сочетании с участками, засеянными горчицей и рапсом. Отбор снопов сои для анализа был выполнен на границах посевов сои и горчицы, сои и рапса, в зоне первичного внесения микоризы, а также на незасорённом участке посева. В тех же точках сделан отбор корней сои для световой микроскопии.

Результаты исследований. В опыте 2022 г. при проведении анализа корней и клубеньков методом их взвешивания по вариантам на каждой культуре были получены сходные результаты. Как наиболее показательные следует рассматривать данные по культуре сои. Под влиянием внесённой при посеве микоризы масса корней сои возросла на 21% относительно контроля.

Под микроскопом рассматривались кончики корней толщиной менее 1 мм. При увеличении 16 х 10 и 16 х 40 чётко просматривались прозрачные нити экзомикоризы. Короткие перпендикулярные к корню отростки имели заострённые кончики или прикреплённые круглые хламидоспоры. Зрелые споры коричневые, непрозрачные. Формирующиеся - более светлой окраски, полупрозрачные, просматривается слой оболочки. Эндомикориза обнаруживается с трудом, но чётко видны тёмные везикулы в поверхностных тканях корня. Единичные зрелые хламидоспоры отделены от корня.

Рисунок 2 – Схема посевов и отборов на экспериментальном участке 2024 г.

Основная культура – соя:

1 – зона внесения микоризы в 2022 г; 2,3,4 – зоны отбора снопов и корней сои для анализов

В результате световой микроскопии корней экспериментальных растений обнаружилось, что арбускулярная микориза активно распространяется в почве в течение периода вегетации. В предуборочный период и микориза, и зимующие структуры гриба обнаруживались на всех делянках опыта.

Полученные данные позволяют предположить, что арбускулярный гриб оптимально развивался в варианте 2 опыта (с биометодом). Также следует отметить, что протравливание семян (вариант 3) не послужило препятствием к образованию симбиотической связи с микоризой по окончании действия протравителя. Химическое протравливание семян Шансилом-трио в начале вегетации препятствовало развитию микоризы как на поверхности корней, так и в их ткани. Такие условия способствовали усиленному формированию хламидоспор для успешного сохранения гриба в зимний период. На протяжении сезона вегетации микориза интенсивно разрасталась в почве посева, чем и объясняется обнаружение структур гриба на всех делянках опыта

Учитывая широкий спектр растений-симбионтов микоризы и то, что в поле всегда присутствуют сорняки, а тем более при биологическом земледелии, следует предположить, что большинство из них получит такую же поддержку от арбускулярного гриба, как и культурные растения.

Условия перезимовки 2022-2023 гг. были крайне неблагоприятными для структур гриба – при практическом отсутствии снежного покрова длительные оттепели сменялись морозами. Резкое потепление в апреле сопровождалось воздушной и почвенной засухой, затем последовал аномально холодный май с заморозками в первой декаде. Однако, зимующие структуры арбускулярного гриба успешно перенесли этот комплекс абиотических стрессов и сохранили активную жизнеспособность.

Перед посевом 2023 г. на участке эксперимента было проведено 3 последовательных культивации на глубину 10 см с целью уничтожения сорняков. Тем не менее, в итоге на чистом участке визуально определялся прямоугольник не уничтоженных сорняков 28 х 7 = 196 м2, соответствующий месту ранее расположенных делянок. То есть, арбускулярный гриб успешно сохранился в почве и вступил в симбиоз с сорной растительностью ещё осенью 2022 г., существенно повысив её жизнеспособность. Весной 2023 г. расширение зоны присутствия микоризы продолжалось, в итоге +96% увеличения её площади.

Рядовой посев гречихи Девятка выполнен 7 июня с нормой высева 4 млн. семян на 1 га. В июле на фоне равномерного хорошо развитого посева чётко просматривалась сильно засорённая полоса с угнетёнными растениями гречихи (рис.3).

Рисунок 3 – Развитие растений гречихи Девятка и осота в фазе цветения на участке поля с наличием в почве арбускулярного гриба, входящего в состав «Кормилицы микоризы», июль 2023 г.

По данным полевого учёта, густота стояния растений гречихи на общей площади поля составляла 256 шт/м2; из сорняков обнаруживались вьюнок полевой (6), просянка (8) и лебеда (4) общим количеством 18 шт/м2. На участке присутствия арбускулярного гриба растений гречихи было меньше на 17% - 212 шт/м2. Сорняков насчитывалось в 9 раз больше, чем на посеве без микоризы – 162 шт/м2. В их составе были просянка (24), лебеда (60), осот полевой (28), щирица (8), ежа сборная (20), лисохвост луговой (16), пырей ползучий (6). Сильной засорённостью объясняется степень угнетения культурных растений: замеры высоты гречихи в чистом посеве на 1 сентября показали, что этот показатель колеблется от 107 до 120 см, составляя в среднем 113,5 см, в зоне присутствия микоризы гречиха имела высоту от 45 до 86 см, в среднем – 66,6 см.

В конце сентября 2023 г. были отобраны снопы гречихи для сравнительного анализа (табл. 2) и корни сорных растений для определения состояния арбускулярного гриба.

Как видно из приведённых данных, засорённый участок дал незначительный урожай. В течение сезона вегетации он расширился на 44м2 .

Замеры площади распространения микоризы в конце сентября 2023 г. показали, что она достигла 30 х 8 = 240 м2. Очевидно, что гриб активнее разрастается в почве поля при наличии посева бобовой культуры, входящей с ним в симбиоз. По корням сорных растений продвижение микоризы продолжалось медленнее, но не прекращалось.

Таблица 2 - Структурный анализ снопового материала гречихи с чистого и засорённого участков экспериментального поля (сентябрь 2023 г.)

Зоны отбора	Высота 1 растения см	Масса 1 растения г	Количество ветвей, шт		Кол-во зерен с 1 растени, г	Масса зерна с 1 раст., г	Урожайность, ц/га
			1 порядка	2 порядка
Засорён ный посев (1)	69,6	5,65	1,7	-	5,7	0,2	4,8
Чистый посев (2)	114,8	32,45	4,3	2,7	41,5	32,5	31,2
1< 2 на	39,4%	82,6%	60,5%	-	86,3%	99,4%	84,6%

Световая микроскопия корней сорняков показала, что на них сформированы зимующие споры арбускулярного гриба (рис. 4).

Рисунок 4 – Корни осота полевого в зоне присутствия арбускулярного гриба, на них видны зимующие споры, сентябрь 2023 г.

В 2024 г. распространение микоризы по площади участка продолжилось. Итоговые данные приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Динамика распространения микоризы арбускулярного гриба в почве экспериментального участка (2022 -2024)

Год	Сезон	Культура	Зона присутствия			+ %
			Длина (м)	Ширина (м)	Площадь (м2)	За сезон	межсезонье
2022	Весна	5 бобовых	25	2	50
	Осень		25	4	100	100
2023	весна	гречиха	28	7	196		96
	осень		30	8	240	22
2024	весна	соя	64	9	576		140
	осень		82	25	2050	256

Положительное влияние арбускулярного гриба на рост и развитие сильнее сказывается на сорняках, чем на культурных растениях. Так, в зоне первичного внесения препарата в 2024 г. наблюдалось значительное подавление развития сои сорняками, в составе которых доминировал осот полевой. На корнях этого растения уже в августе образуются зрелые зимующие структуры гриба – хламидоспоры и везикулярные клубочки.

На границе посевов соя – горчица и соя – рапс также анализировались отборы растений и корни сои, чтобы определить возможность антагонизма между грибом и крестоцветными культурами. Световая микроскопия выявила различия в состоянии корней сои (рис. 5…8).

Рисунок 5 – Микориза и хламидоспоры на корнях сои из зоны первичного внесения Кормилицы Микоризы

Рисунок 6 – Корни сои на границе с горчицей – хламидоспоры единичные

Рисунок 7 – Корни сои на границе с рапсом – споры в небольшом количестве, микориза развита хорошо

Рисунок 8 – Корень сои с не засоренного участка в отдалении от крестоцветных культур – микориза в оптимальном развитии, обилие хламидоспор

Оптимальное развитие арбускулярный гриб получал на участке посева сои, где засорение ещё не усилилось (рис. 8).

По данным микроскопии, арбускулярный гриб оптимально развивается на корнях культуры-симбионта и сложноцветных сорняков. Корневые выделения горчицы значительно угнетают рост и развитие микоризы. Влияние рапса в этом плане выражено слабо. Реакция растений на процессы, идущие в почве, отражена в данных табл.4.

Таблица 4 – Анализ отборов сои из зоны присутствия в почве арбускулярного гриба (сентябрь 2024 г.)

№ п/п	Варианты участков отбора	Длина (см)		Ветви 1 порядка (шт)	Количество (шт)		Масса (г)		Масса 1000 семян
		среднее	lim.		бобов	семян	бобов	семян
1	Первичное внесение микоризы	89,9	80…96	3	61	120	24	15	125
2	Граница  с горчицей	95,4	80…105	0	88	212	40	25	118
3	Граница  с рапсом	97,2	82…110	13	143	331	69	44	133

По всем параметрам лучше других отбор на границе с рапсом, где арбускулярный гриб был в симбиозе с соей, а сорняков практически не было. На границе с горчицей растения слабее, поскольку микориза была угнетена и не оказывала положительного влияния на рост и развитие сои. В зоне первичного внесения Кормилицы Микоризы гриб присутствовал в большом количестве, но его положительным влиянием в большей мере пользовались сорняки, угнетая культуру сои. Здесь растения были ниже ростом, семян было меньше как по количеству, так и по массе 1000 штук.

Выводы. Внесение в почву препаратов арбускулярной микоризы при посеве однолетних культур способствует существенному увеличению корневой системы как культурных, так и сорных растений, усиливая их рост и развитие.

Химическое протравливание семян в период активности протравителя препятствует образованию симбиотической связи гриба с растением-хозяином и закладке зимующих структур, но впоследствии не исключает этих процессов.

Абиотические стрессы не привели к гибели зимующих структур или угнетению разрастающейся в почве поля микоризы. За 2022 – 2024 гг. площадь, занятая внесённой в почву микоризой увеличилось в 40 раз.

Применение в поле гриба с неограниченным ростом и широким спектром симбиотических связей создаёт сложную проблему. Кормилица Микориза существенно усиливает сорную растительность, которая успешно конкурирует с культурными растениями, подавляя их рост и развитие.

Следует искать способы управления живыми объектами, которые вносятся в почву агроценозов с биопрепаратами, а также продолжить изучение влияния корневых выделений горчицы на арбускулярный гриб.