Изучение взаимоотношений растений с С4-типом метаболизма и грибов рода Trichoderma

Введение. Важнейшей задачей в сельском хозяйстве в настоящее время является повышение продуктивности растений и их устойчивости к факторам окружающей среды. Большую роль в культивировании сельскохозяйственных растений играет человек, но, создавая необходимые условия для роста и развития растительных организмов, он не исключает возможного взаимодействия растений с патогенными микроорганизмами, которые могут подавлять или задерживать рост растений, а в некоторых случаях приводить к их гибели [4, 5]. В качестве стимуляторов роста и развития растений могут выступать микроорганизмы-антагонисты патогенов, способные образовывать ассоциации с корнями растений и оказывать, помимо защитного эффекта, прямое стимулирующее действие на рост и развитие растений. К таким микроорганизмам относятся грибы рода Trichoderma [7, 8, 10]. В связи с этим изучение взаимодействия микроорганизмов-антагонистов патогенов и растений в настоящее время представляет большой научный интерес и особенно актуально в связи с возможностью альтернативной замены пестицидов на вещества биологической природы.

Цель исследований . Изучение особенности развития растений с С 4 -типом метаболизма в условиях их взаимодействия с грибами рода Trichoderma .

Задачи исследований : изучить влияние грибов рода Trichoderma :

• 1)    на морфофизиологические параметры растений кукурузы;д

• 2)    ассимиляционный аппарат растений;

• 3)    кинетические параметры флуоресценции хлорофилла и скорость электронного транспорта.

Объекты и методы исследований. В качестве объектов исследований использовали растения кукурузы сахарной – гибрид Сахарный початок и микромицеты Trichoderma asperellum штамм МГ-97. Кукуруза относится к С 4 -типу растений, к NADP-МДГ подгруппе. Растения выращивали на питательном грунте следующего состава: верховой торф, низинный торф, песок, известняковая (доломитовая) мука, дренаж, комплексное минеральное удобрение. Содержание доступных для растений питательных элементов: N – 300–550 мг/кг, P 2 O 2 – 300–550 мг/кг, K 2 O – 450–850 мг/кг, рН – 5,5–6,5. Температура воздуха в дневное время колебалась в пределах 25–28^оС. Перед посевом в почвенный субстрат проводили поверхностную стерилизацию семян 0,1 %-м раствором KMnO 4 . Споры гриба Trichoderma вносили методом опудривания семян до полного их насыщения. Контролем служил вариант, где семена не подвергались обработке спорами данного гриба.

В ходе исследований определяли всхожесть семян в соответствии с ГОСТ 12038-84 [3], количество листьев, длину корневой системы и надземной части, сырую и сухую биомассу. Площадь листовой пластинки вычисляли по формуле S = 2/3×d×l, где d – ширина листа; l – длина листа [6]. Содержание зеленых пигментов определяли спектрофотометрическим методом по молярным коэффициентам экстинкции [1].

Определение оптической плотности экстракта осуществляли на спектрофотометре SPECOL1300. Концентрацию пигментов (мкг/мл) рассчитывали по формулам [10]: С a = 13,7×( D 665 – D 720 ) – 5,7×( D 649 – D 720 ),

C b = 25,8×(D 649 – D 720 ) – 7,6×(D 665 – D 720 ), где С a – концентрация хлорофилла а , С b – концентрация хлорофилла b; D – оптическая плотность раствора при заданной длине волны.

Оптическая плотность раствора при 720 нм выступала в качестве поправки для значений оптической плотности при 649 и 665 нм. Процентное содержание зеленых пигментов к сырой массе рассчитывали по формуле (C×V/m)×100 %, где С – концентрация пигментов (мкг/мл); V – объем вытяжки (мл); m – масса навески (мкг).

Флуоресценцию хлорофилла регистрировали на приборе IMAGING-PAM M-Series MAXI Version [9]. Измерения проводили при фотосинтетически активной радиации в диапазоне от 0 до 800 мкмоль фото-нов/м2с. В ходе экспериментов измеряли квантовый выход фотосистемы II (YII), скорость фотосинтетического электронного транспорта (ETR) с участием фотосистемы II. Скорость электронного транспорта (ETR) рассчитывалась по формуле:

ETR = 0,5×IPAR×(ETR-Factor) ×Y(II), где IPAR – интенсивность света; ETR-Factor равен 0,84 %, который отражает эффективность поглощения фотонов пигментами; Y(II) – эффективность квантового выхода ФСII; Y(II) = F′M - F′/ F′M [9].

Построение графиков и статистическую обработку данных выполняли с помощью Microsoft Office 2007. Измерение параметров растений выполняли в 6 биологических повторностях. Оценку достоверности различий проводили по критерию Стьюдента для уровня вероятности не менее 95 %.

Результаты исследований и их обсуждение. Инокуляция семян растений спорами Trichoderma asperellum привела к увеличению всхожести на 8 % (рис. 1), что, возможно, связано с непосредственным взаимодействием грибов с корнями растений и использованием растением метаболитов, выделяемых грибами [2]. Показано стимулирующее влияние T. asperellum на длину надземной части и корневой системы растений, причем существенные различия проявились на 21-е сутки вегетации, при этом корневая система у растений была более разветвлена, чем у контрольных (рис. 2–3).

Рис. 1. Всхожесть семян растений кукурузы

Это имеет большое значение для растений, поскольку за счет корневой системы в растения поступают минеральные вещества с током воды, следовательно, чем более развита корневая система, тем больше минеральных веществ поступит в растение.

■ контроль

■ опыт

Рис. 2. Длина корневой системы растений кукурузы на 21-е сутки вегетации

Грибы T. asperellum способствовали не только линейному росту, но и оказывали влияние на продуктивность растений, включающую накопление биомассы. Результаты исследований показали (рис. 4), что грибы рода Trichoderma оказывали достоверное положительное влияние на накопление сырой биомассы растения. Однако ее содержание в опытных растениях могло быть связано как с увеличением содержания воды в тканях растения, так и накоплением в них сухого вещества.

Рис. 3. Внешний вид растений кукурузы на 21-е сутки вегетации: А – опыт; Б – контроль

Данные по содержанию воды в растениях показали, что оводненность растений, обработанных и необработанных грибами рода Trichoderma , одинакова (рис. 5).

Рис. 4. Сырая (а) и сухая (б) биомасса растений кукурузы на 21-е сутки вегетации растений

Следовательно, продукты жизнедеятельности данного микромицета оказывали стимулирующее влияние на накопление биомассы растениями кукурузы за счет увеличения в них сухого вещества, что было подтверждено результатами исследований (рис. 4).

Рис. 5. Процентное содержание воды в растениях кукурузы: а – 15-е сутки вегетации; б – 21-е сутки вегетации

Актиномицеты оказывали влияние на развитие ассимиляционного аппарата растения, о чем свидетельствовало увеличение площади листьев опытных растений (рис. 6).

Рис. 6. Площадь листьев растений кукурузы: а – 15-е сутки вегетации; б – 21-е сутки вегетации

Показано, что под влиянием грибов-антагонистов содержание хлорофилла в расчете на сырую массу было больше, чем у растений, не подвергшихся обработке (рис. 7). Под действием данного гриба происходило изменение соотношения форм хлорофиллов (рис. 8–9).

Рис. 7. Общее содержание хлорофиллов а и b в растениях кукурузы: а – 15-е сутки вегетации; б – 21-е сутки вегетации

При этом под действием Trichoderma наблюдалось изменение соотношения хлорофиллов а и b в листьях С 4 -растений в сторону незначительного увеличения содержания хлорофилла b . Увеличение содержания хлорофилла b в результате взаимодействия с грибами рода Trichoderma характерно и для растений с С 3 -типом метаболизма. Данный эффект указывает на большую активность фотосистемы II у растений, обработанных микромицетами.

Рис. 8. Содержание хлорофилла а в растениях кукурузы: а – 15-е сутки вегетации; б – 21-е сутки вегетации

Одной из основных характеристик комплексов ФС II является квантовый выход фотохимического превращения энергии, осуществляемого ФС II. Этот показатель определяется как соотношение количества квантов, используемых в разделении зарядов в ФС II, к общему количеству квантов, поглощенных антенной этой фотосистемы.

Рис. 9. Содержание хлорофилла b в растениях кукурузы: а – 15-е сутки вегетации; б – 21-е сутки вегетации

Установлено, что предпосевная обработка семян спорами грибы рода Trichoderma не нарушала скорость электронного транспорта, хотя результаты проведенных исследований не выявили достоверных различий по величине квантового выхода и скоростью электронного транспорта между растениями контрольного и опытного вариантов (рис. 10–11).

Рис. 10. Квантовый выход фотосиcтемы II у растений кукурузы на 15-е сутки вегетации: а – контроль; б – опыт

Рис. 11. Скорость фотосинтетического электронного транспорта у растений кукурузы на 15-е сутки вегетации: а – контроль; б – опыт

Выводы

• 1.    Инокуляция семян растений кукурузы спорами гриба штамма Trichoderma asperellum MГ-97 приводила к увеличению энергии прорастания семян, накоплению сырой и сухой биомассы растений, площади листьев. Наибольший стимулирующий эффект действия микромицетов был отмечен в развитии корневой системы.

• 2.    Под действием грибов рода Trichoderma в листьях кукурузы увеличивалось общее содержание хлорофиллов; соотношение форм хлорофиллов a и b изменялось в сторону незначительного увеличения хлорофилла b на 15-е сутки вегетации.

• 3.    Не было установлено достоверного влияния грибов рода Trichoderma на квантовый выход фотосистемы II и скорость фотосинтетического электронного транспорта у растений.