Использование микроорганизмов как средство повышения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных культур

Растениеводство – одна из важнейших отраслей сельского хозяйства, которая, в свою очередь, обуславливает развитие животноводства, так как успех животноводства на 50–60% зависит от качества кормов. В настоящее время в мире использование биологических препаратов вместо или совместно с химическими средствами защиты растений и минеральными удобрениями становится все более популярным и востребованным. Широкое применение биопрепаратов характерно для многих стран Европы, США, Китая, Японии и др. В Российской Федерации, к сожалению, объем биологических средств, используемых в растениеводческой отрасли, существенно уступает количеству химических препаратов. При этом микробные препараты способны повысить биологическую и хозяйственную продуктивность растений путем синтеза микроорганизмами ряда биологически активных соединений (аминокислот, веществ фитогормонального действия и пр.), перевода недоступных форм элементов питания (главным образом азота и фосфора) в формы, доступные растениям, а также выполняя защитную роль в борьбе с патогенными грибами и бактериями. Кроме того, использование биопрепаратов является необходимым условием получения органической продукции. Наибольшую ценность для реального сектора экономики представляют подобранные научно обоснованные пары «штамм микроорганизма и сорт растения», которые позволят достичь наибольшей урожайности и устойчивости растений в конкретных экологических условиях, на конкретном минеральном почвенном фоне. В статье представлен обзор российских и зарубежных исследований относительно действия различных микробных препаратов и штаммов микроорганизмов на рост и продуктивность сельскохозяйственных культур. По мнению ряда авторов, из свободноживущих микроорганизмов наиболее перспективными для использования в практике растениеводства являются микроорганизмы родов Bacillus и Pseudomonas, представители которых способны оказывать на растения как ростостимулирующий, так и протекторный эффекты, что в конечном счете сказывается на продуктивности культур.

Биопрепараты, микроорганизмы, Bacillus, Pseudomonas, сельскохозяйственные культуры, рост, продуктивность.

Растениеводство – одна из важнейших отраслей сельского хозяйства, которая во многом определяет успех в животноводстве. По мнению некоторых исследователей, молочное животноводство на 50–60% зависит от качества кормов [1]. Один из возможных в настоящее время путей повышения продуктивности сельскохозяйственных культур – активизация микробнорастительного взаимодействия [2].

Во многих странах Европы, а также в США, Китае, Японии и пр. в сельскохозяйственном производстве широко применяются различные биопрепараты. Так, некоторые хозяйства в Западной Европе на данный момент полностью отказались от минеральных азотных удобрений в пользу биологического азота [3–5].

К сожалению, опыт и достижения мировых ученых существенно опережают российскую науку, в нашей стране очевиден ощутимый дефицит разнообразия биопрепаратов, причем колоссальные различия природных и климатических условий территорий требуют более широкого их ассортимента. Так, О.В. Рябова отмечает, что спектр микробиологических препаратов на рынке РФ довольно узок. Анализируя рынок, автор приводит данные о том, что в Российской Федерации по состоянию на 2015 год официально было зарегистрировано порядка трех десятков микробиологических удобрений и двух десятков биопестицидов (на основе 26 штаммов, относящихся к 11 видам микроорганизмов) против сотен наименований химических удобрений и средств защиты растений [6]. По состоянию на 2020 год ситуация значительно не изменилась: официально зарегистрированы и допущены к использованию 57 биопестицидов и 25 регуляторов роста растений [7]. При этом в США по состоянию на 2010 год количество торговых марок одних только биопестицидов без учета микробных удобрений превышало несколько сотен наименований, а в каче- стве активных агентов зарегистрировано порядка 72 микроорганизмов [6]. О недостаточном уровне биологизации в растениеводческой отрасли говорится в работах В.А. Захаренко. Так, по расчетам автора, и в мире, и в России этот показатель находится на уровне 2% (уровень биологи-зации В.А. Захарченко рассчитывает как отношение использования биопрепаратов к их сумме с химическими пестицидами). Одной из причин такого незначительного распространения биологических препаратов автор называет их малую пропаганду и недостаточный ассортимент в сравнении с химическими пестицидами [8].

О низком уровне использования микробных препаратов в практике растениеводства свидетельствуют работы многих исследователей. Так, Г.А. Воробейников и др. (2011) отмечают, что для наибольшего успеха агробиотехнологий необходимо подробно изучить микробно-растительные взаимодействия, выделить «пары» сортов растений и штаммов бактерий, которые при определенных условиях и конкретном минеральном почвенном фоне будут наиболее эффективны. Авторы в течение более чем 18 лет исследовали взаимодействие разных сортов растений и микропрепаратов, учитывая различные условия и формируя определенные рекомендации [9]. Е.В. Бирюков (2008) помимо прочего отмечает, что местная микрофлора почв лучше адаптирована к экологическим условиям (влажность, температура, конкуренция), чем организмы, вносимые извне [10], а О.В. Рябова подчеркивает, что микробные препараты с наибольшей эффективностью можно получить, лишь отбирая штаммы из местной почвы [6].

Цель данной работы – оценить разнообразие, а также эффективность действия биологических препаратов и штаммов микроорганизмов на ростовые и продуктивные качества сельскохозяйственных культур.

Использование бактериальных препаратов способно обеспечить высокую концентрацию полезных форм микроорганизмов в нужном месте и в нужное время. Взаимодействие растительных и микробных организмов способно улучшать азотное и оптимизировать фосфорное питание растений, повышать коэффициенты использования макро- и микроэлементов из удобрений и почвы, стимулировать рост и развитие растений, подавлять фито-патогенные организмы, а также увеличивать устойчивость растений к стрессовым условиям и пр. Известны случаи положительного влияния биологических препаратов на всхожесть семян и ризо-генез растений, что происходит, главным образом, за счет снижения развития гнилей. При этом характер действия определяется штаммом микроорганизма и сортовыми особенностями растений [5; 11–17].

Важнейшим преимуществом биологических препаратов является то, что микроорганизмы, используемые для их создания, – представители естественной среды, следовательно, безвредны для сообществ. При этом возможно применение препаратов, созданных как на основе ризосферных, так и эндогенных бактерий [18]. По образу жизни микроорганизмов препараты на их основе можно отнести к трем группам:

• 1)    препараты, созданные на основе микроорганизмов-азотфиксаторов, вступающие в симбиотические отношения с высшими растениями (роды бактерий Rhizobium, Bradyrhizobium, Mezorhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium и др.);

• 2)    препараты, созданные на основе свободноживущих азотфиксаторов ( Clostridium, Azotobacter, Beijerinckia и др.);

• 3)    препараты, созданные на основе сво-бодноживущих микроорганизмов, основная роль которых не ограничивается фиксацией атмосферного азота или не связана

с ней (роды бактерий Bacillus, Pseudomonas, Azospirillum, Klebsiella, Enterobacter и др.).

Д.М. Сытников (2012) особую важность для сельскохозяйственной практики придает препаратам первых двух групп [19]. Препараты первой группы очень широко применяются при возделывании бобовых культур. Широко распространенным представителем второй группы являются штаммы рода Azotobacter , представители которого характеризуются как способностью к фиксации молекулярного азота атмосферы, так и синтезу веществ гормональной природы, в частности ауксиновой, гиббереллиновой, цитокининовой, аминокислот, а также витаминов и веществ антибиотической природы. Азотобактерин (культура клеток Azotobacter ) является одним из классических микробных препаратов, однако представители данного рода успешно развиваются лишь в хорошо окультуренных почвах и погибают при низком плодородии [20]. Е.В. Кириченко и С.Я. Коць в своих исследованиях показывают, что бактеризация семян яровой пшеницы штаммом А. chroococcum T79 и комплексными композициями положительно влияла на развитие и функциональную активность олигоазотрофных микроорганизмов в ризосфере растений. При этом стимулирующее влияние инокуляции семян азотобактером проявлялось в увеличении урожая зерна на 9,2% по сравнению с контролем. Растения варианта с инокуляцией семян бактериальной композицией показали урожай зерна, который на 17,8% превышал контроль [21].

В рамках выполняемого обзора большее внимание было уделено препаратам третьей группы, что связано с универсальностью данных микроорганизмов, с одной стороны, и их комплексным влиянием на растительные объекты – с другой. При всем многообразии свободноживущих микроорганизмов некоторые штаммы и препараты на их основе на настоящий момент изучены особенно хорошо. Одним из таких препаратов является, например, Флавобактерин, созданный на основе штамма Flavobacterium sp. Л30, обладающий способностью фиксировать молекулярный азот, стимулировать рост, продуцировать фитогормоны, улучшать минеральное питание, водный обмен и активизировать другие физиологические процессы растений, а также обладающий сильным защитным действием против болезней растений [20]. Результаты многолетних исследований подтверждают, что Флавобактерин способен обеспечить прибавку зерна ржи на 17%, картофеля на 21% [22]. З.П. Котова и С.Н. Дроздов (2006) отмечают высокую эффективность данного микробиологического препарата при возделывании картофеля на дерновоподзолистой хорошо окультуренной почве в условиях Республики Карелии даже на фоне органоминеральных удобрений. Прибавка от бактеризации клубней препаратом достигает 6,1–7,4 т/га в зависимости от сорта [23]. Другие авторы отмечают положительный эффект Флаво-бактерина совместно с Ризоагрином при обработке ими семян озимой пшеницы и озимой тритикале. При этом на озимой тритикале указанные биопрепараты снижали развитие заболеваний в 1,2–1,3 раза, а распространенность – в 1,3–1,7 раза. Пораженность озимой ржи корневыми гнилями при использовании биопрепаратов снижалась в 1,5 раза. Ризоагрин и Флаво-бактерин как при раздельной, так и при бинарной инокуляции семян повышали перезимовку озимых культур [2]. В условиях Ярославской области исследовано действие биопрепаратов Флавобактерин и Ризоагрин на следующие зерновые культуры: овес сорта Скакун, яровая пшеница сорта Мисс, яровой ячмень сорта Аннабель. В ходе исследования выявлено, что на вариантах, где проводилась инокуляция семян, всхожесть у ячменя была выше на 8,0–11,6%, у овса – на 8,2–8,6%, у яровой пшеницы – на 5,2% по сравнению с контролем. Инокуляция семян перед посевом повлияла и на высоту растений, увеличив ее у овса на 2,5–9,0 см, яровой пшеницы – на 8,5–11,6 см, ячменя – на 2,0–6,7 см. Все это сказалось на урожайности культур. Так, урожайность зерна яровой пшеницы при обработке семян Флавобактерином превзошла контроль на 4,1 ц/га, овса – на 10 ц/га [16]. Исследованиями влияния Флавобактерина занимались и в Вологодской области. Так, применение Флавобак-терина достоверно увеличивало содержание сырого протеина в зерне озимой ржи (на 0,23–0,77%), клубнях картофеля (на 0,14–1,07%) и зерне ячменя (на 0,23–1,31%). Инокуляция семян овса данным препаратом обеспечила достоверную прибавку урожайности зеленой массы, которая составила 0,7–1,4 т/га. Инокуляция семян озимой ржи, клубней картофеля и семян ячменя повышала урожайность культур на 0,1–0,6, 0,6–1,3, 0,2–0,4 т/га соответственно. Эффект сохранялся и при внесении минеральных удобрений [24; 25].

Многие авторы к одним из наиболее перспективных для микробиологических препаратов относят представителей рода Bacillus, которые способны как стимулировать рост и развитие растений, так и повышать иммунитет растений за счет синтеза липопротеидов, этилена, полиаминов и веществ гормонального происхождения [15; 18; 26–30]. Например, В.Б. Петров и В.К. Чеботарь (2011) говорят о положительном влиянии препаратов, созданных на основе представителей рода Bacillus – B. subtilis (Экстрасол), который показал себя эффективным против всех видов парши, ризоктониоза и раковых болезней картофеля. B. subtilis обладают высокой конкурентной способностью в процессе колонизации надземного и корневого опада растений, при внесении их в почву освобождаются экологи- ческие ниши для развития микрофлоры, в том числе функциональных групп, ответственных за трансформацию органического вещества, ассоциативную азот-фиксацию, целлюлозолитические, лиг-ниндеструктивные и гумификационные процессы в почве. Также авторы отмечают повышение коэффициентов усвоения минеральных удобрений растениями при внесении препарата БисолибФит, созданного на основе штамма B. subtilis Ч-13. Этот препарат обеспечивал прибавку урожайности сельскохозяйственных культур на 5–10% по сравнению с минеральными удобрениями [4; 18; 25]. Так, при инокуляции семян кукурузы и бобовых наблюдалась прибавка урожая зеленой массы кукурузы на 19–22%, кормовых бобов – на 12–22% [31]. Положительные эффекты достигаются и при использовании эндогенного штамма B. subtilis НС8, полученного из тканей борщевика [4; 18; 25].

Положительное действие препаратов Натурост (на основе бактерий Bacillus subtilis) и Натурост-М (на основе бактерий Bacillus megaterium) на ростовые и продуктивные качества ячменя и овса, а также продуктивные и качественные показатели биомассы клеверотимофеечной травосмеси и райграса показано в исследованиях, проводимых в Вологодской области. Так, под влиянием обработки данными биопрепаратами выход зеленой массы райграса возрастал на 36–37% в зависимости от опытного варианта, а травосмеси клевера и тимофеевки – на 19–36% [32]. На зерновых культурах установлено, что внесение биопрепаратов приводит к значительному увеличению листовой поверхности у опытных растений (до 64,5%), возрастанию среднесуточных приростов (до 8,9%) и накоплению биомассы (до 73,1%), при этом зерновая продуктивность ячменя увеличивается до 13%, у овса – до 15,0% [33]. Вероятное действие B. megaterium на растения связано с синтезом цитокининов, что в первую очередь приводит к более активному развитию корневой системы растений, особенно боковых корней [34; 35]. Имеются данные о том, что B. megaterium XTBG34 стимулирует рост растений за счет синтеза 2-пентилфурана [36].

Вещества фитогормональной природы, в частности ИУК, способны синтезировать не только представители родов Bacillus и Аzotobacter, но и другие гетеротрофные и фототрофные бактерии, например Pseudomonas, Azospirillum, Klebsiella, Enterobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Burkholderia, Serratia, Sphingomonas, стреп-томицеты и метилобактерии [37–40]. При этом в работах многих авторов отмечается ростстимулирующее действие экзогенных фитогормонов на растения [30; 41–42]. Например, установлена способность ассоциативных бактерий орхидных к продуцированию экзометаболитов, в том числе ауксинов, при этом показано, что культуральная жидкость этих бактерий, содержавшая ИУК, активизировала корне-образование у черенков фасоли и стимулировала прорастание орхидных [43; 44]. Способность ассоциативных микроорганизмов орхидных синтезировать ауксины подтверждают и исследования ученых Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Н.В. Шеховцова и др. (2011) на основании собственных данных утверждают, что наибольшее разнообразие эндофитных бактерий с высокой продукционной активностью в отношении ИУК обнаружено в молодых подземных органах – придаточных корнях и окончаниях стеблекорневых тубероидов Dactylorhiza maculata в фазы цветения и покоя. При этом авторы находят непосредственную связь синтеза ИУК микроорганизмами с содержанием триптофана в органах D. maculata. В частности, ранее исследователями был установлен низкий уровень этой аминокислоты в старых ту-бероидах и способность к ее накоплению в молодых запасающих органах [45; 46]. Инокуляция семян ячменя и овса штаммом Pseudomonas sp. GEOT18, который был выделен исследователями ЯрГУ им. П.Г. Демидова, способствовала увеличению площади листьев, сырой и сухой массы растений, содержанию пигментов на единицу массы листа, что отразилось на зерновой продуктивности опытных культур (выше контроля на 6% у ячменя, на 16 % у овса) [47].

Помимо данного штамма известно немало представителей рода Pseudomonas, способных оказывать благоприятное влияние на рост и развитие растений, их биологическую и хозяйственную продуктивность. Так, например, комплексное действие от применения штамма бактерий рода Pseudomonas показано в исследованиях D. Rojas-Solís и др. (2018). Установлено, что штамм P. stutzeri E25 ингибирует развитие гриба Botrytis cinerea, выделяя летучие соединения, содержащие серу, и стимулирует ростовые процессы растений томата [48]. Схожий эффект показан в работе M. Andreolli и др. (2017), где приводятся данные о генах P. protegens MP12, ответственных за синтез противогрибковых соединений (2,4-диацетилфлоро-глюцинол, пиолюторин и пирролнитрин), а также о способности микроорганизмов к растворению фосфатов, продуцированию аммиака и индол-3-уксусной кислоты [49]. Данные о положительном влиянии штаммов P. fluorescens L111, L228 и L321 на растения через мобилизацию фосфора приводят N. Oteino и др. (2015) [50]. Отмечена способность штамма P. nitroreducens IHB B 13561 повышать поглощение нитратов и стимулировать развитие клеток растений [51]. Возможность P. putida и P. fluorescens влиять на корневую систему, активизируя образование боковых корней и корневых волосков, показана в работе R. Ortiz-Castro и др. (2020). При этом авторы обращают внимание, что данный эффект коррели- рует с индукцией ауксина [52]. В исследованиях О.М. Минаевой и Е.Е. Акимовой (2013) выявлено снижение общей зараженности зерновых культур возбудителями на 12–36% при обработке семян штаммом Pseudomonas sp. B-6798, а также повышение продуктивности картофеля на 10–40% при бактеризации его клубней [53].

И.Н. Феклистова и др. (2018) также отмечают у ряда препаратов – Аурин, Гулливер, Стимул и Немацид – комплексное действие. Биопрепарат Аурин создан на основе бактерий P. aurantiaca B-162/498, являющихся сверхпродуцентами антибиотиков феназинового ряда. Данный биопрепарат предназначен для борьбы с возбудителями бактериальных и грибковых заболеваний, обладает стимулирующим действием на рост сельскохозяйственных культур. Так, применение Аурина позволяет увеличить урожайность томатов и огурцов на 26,6%. Комплексный препарат Гулливер создан на основе клеток бактерий P. aureofaciens А 8-6 и гидрогумата торфа. Препарат эффективен в отношении серой гнили огурца и томата, защищает капусту от поражения черной ножкой, альтернариозом и бактериозами, а также в 2,2 раза снижает потери урожая картофеля от фитофторозно-бактериальных гнилей. При этом Гулливер увеличил урожайность картофеля на 6,5%, капусты – на 12,4%, томатов – на 15,5%, огурцов – на 10,7%. Биопрепарат Стимул на основе ризосферных бактерий P. fluorescens S-32 обеспечивает прибавку урожайности томатов на 27,4%, огурцов – на 16,1%. Использование препарата Стимул способствует повышению мыклости льна-долгунца на 8%, что увеличивает выход длинного волокна; также отмечена достоверная прибавка урожайности льносоломы на 16,5% и семян на 59,7%. Уникальный препарат Немацид на основе бактерий P. putida U предназначен для подавления галловых нематод томатов и огурцов в защищен- ном грунте, что позволяет получить дополнительно 43,8% продукции томатов и 41,5% огурцов [54].

Данные о возможности заменить минеральные азотные удобрения в дозах N_20–60 при возделывании разных небобовых культур с использованием препаратов диазотрофных бактерий приводит В.Н. Золотарев (2015), отмечая возможность получения прибавки урожая кормовых злаков на 11–29% [55]. Е.А. Блинков и др. (2014) говорят о повышении урожайности сельскохозяйственных растений на 20–25% при действии на них штаммом Klebsiella planticola ТСХА-91, выделенным из ризо-планы огурца. Авторы отмечают, что достижение такого эффекта происходит за счет как нивелирования негативных последствий дефицита влаги, так и синтеза ауксинов [37]. В работе В.В. Куницыной и Л.А. Ступиной (2018) показана эффективность использования биопрепаратов на основе Klebsiella mobilis и Corynebacterium freneyi , которые повышают урожайность ячменя на 18,5 и 27,0%, а массу 1000 зерновок – на 8,8 и 11,7% соответственно [56].

Перспективной группой микроорганизмов для применения в практике растениеводства являются молочнокислые бактерии. Стоит отметить, что данная группа бактерий относительно мало изучена с точки зрения повышения продуктивности растений, как правило, направление изучения кисломолочных бактерий связано с их ролью в заготовке сочных кормов [57]. Однако данные микроорганизмы довольно конкурентоспособны, что позволяет им успешно существовать в почве и эффективно взаимодействовать в системе с растениями. Так, представители рода Lactobacillus способны повышать устойчивость растений к стрессорам, патогенам [58; 59], приводят к активации роста и развития растений [58].

Установлено, что антимикробная и ростостимулирующая активность молочнокислых бактерий связана с продуцированием ими различных метаболитов [59], в частности валериановой и масляной кислот [60]. Также эти бактерии способны к синтезу фитогормонов группы ауксина [61]. Зафиксированы положительные результаты действия Lactobacillus buchneri (препарат Натурост-Актив) на продуктивность ячменя (зерновая продуктивность выше контроля на 15%), клеверотимофеечной травосмеси (зеленая масса выше контроля на 33%) и райграса (масса выше контроля на 41%) в условиях Вологодской области [32; 33].

Таким образом, в настоящий момент имеется значительное количество данных о возможностях использования микробных препаратов при возделывании культурных растений. Однако запросы растениеводства имеющиеся препараты полностью не удовлетворяют. Основная проблема широкого использования биологических средств – слабо развитый механизм перехода научных разработок в реальный сектор производства. Несмотря на разнообразие штаммов и разработок, существует необходимость формирования конкретных научно обоснованных пар «сорт – штамм», которые будут отвечать конкретным экологическим требованиям агроценозов и запросам производства. К наиболее перспективным для создания биопрепаратов, в первую очередь, можно отнести представителей родов Bacillus и Pseudomonas , которые являются свободноживущими, а также способны выполнять сразу множество полезных функций: синтез биологически активных соединений, защита от патогенов, мобилизация многих элементов питания.