Эколого-стабилизирующая роль АЦК-утилизирующих ризобактерий в агроценозах сои

Введение. Сегодня ученые мира обеспокоены первостепенными проблемами человечества XXI века, к которым относятся высокая заболеваемость, низкая продол^ительность ^изни, высокая младенческая смертность, во многом связанные со стремительным загрязнением окру^ающей среды и увеличением чрезвычайных экологических ситуаций. Не случайно 2017 г. объявлен годом экологии в Pоссии. Поэтому внедрение эколого-стабилизирующих технологий имеет стратегическое значение в улучшении среды обитания, качества ^изни и адаптивных возмо^ностей и активном долголетии человека [1, 2].

В этой связи, ва^нейшее место в современном земледелии дол^но отводиться стимуляции растительно-микробных взаимодействий, эколого-стабилизирующая роль которых наиболее ярко проявляется в агроценозах зернобобовых культур. Их уникальная способность вступать в поликомпонентный симбиоз с полезной почвенной микрофлорой обеспечивает минеральное питание и стрессоустойчивость растений, повышает уро^ай и его качество, способствуя производству растительного белка с участием биологического азота при сни^ении ресурсозатрат [3-6].

Перспективным является поиск и практическое применение новых микроорганизмов с полифункциональными свойствами, которые позволят в большей степени реализовать средоулучшающий потенциал бобовых. При этом особую актуальность представляет использование ^ЦК-утилизирующих ризобактерий, обладающих универсальным антистрессовым эффектом на растения. Одними из механизмов их фитостимулирующего действия являются подавление ингибирующего действия этилена, интенсивно продуцируемого растением в условиях стресса, и синтез ИУК, о чем свидетельствуют многочисленные лабораторные исследования [7].

Цель наших иссле^ований заключалась в изучении эколого-стабилизирующей роли перспективных штаммов ^ЦК-утилизирующих ризобактерий в агроценозах сои северного экотипа в условиях Орловской области.

Услови^, материалы и мето^ы. Научные исследования выполнены в 2013-2015 гг. в рамках тематического плана-задания Министерства сельского хозяйства Pоссийской Федерации. Лабораторные эксперименты осуществлялись на кафедре растениеводства при использовании научного оборудования ЦКП «Экологический и агрохимический мониторинг сельскохозяйственного производства и среды обитания» Орловский Г^У, а так^е лаборатории ризосферной микрофлоры ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Cанкт-Петербург). Полевые опыты закладывались в НОПЦ «Интеграция» Орловского Г^У (п. Лаврово, Орловский район).

Объектом исследований был сорт сои северного экотипа Красивая Меча (селекция ВНИИЗБК), районированный по Центрально-Черноземному региону. Pастения выращивались в селекционном севообороте на делянках площадью 10 м2 в четырехкратной повторности. Метод размещения опытных делянок – рендомизированный. Предшественник – черный пар. Почва опытного участка серая лесная, слабокислая (рН – 5,0), со средним содер^анием гумуса (3,8%), подви^ного фосфора (12,9 мг/100 г почвы) и обменного калия (15,9 мг/100 г почвы).

В опытах изучалась эффективность интродукции в агроценозы сои перспективного штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий Variovorax paradoxus 3P-4 отдельно и в комплексе с производственным штаммом ризобий Bradyrhizobium japonicum 634б в зависимости от уровня минерального питания растений. Штаммы микроорганизмов предоставлены ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии.

Инокуляция семян ризобиями производилась в день посева из расчета 200 г на гектарную норму семян, штамм Variovorax paradoxus 3P-4 вносили в рядки в фазу всходов (10% р-р). В опыте использовали 2 фона минерального питания растений – NPK100% (доза удобрений на планируемый урожай 3 т/га) и NPK70%. Минеральные элементы вносили в виде тукосмеси с процентным содер^анием NPK 10:26:26.

Опыты закладывались по следующей схеме:

• 1.    Контроль: без использования микроорганизмов, фон NPK (100 и 70%)

• 2.    Штамм 634б: штамм клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum 634б

• 3.    Variovorax : штамм ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью Variovorax paradoxus 3P-4.

• 4 . Штамм 634б+ Variovorax

  Учет количества и массы клубеньков на корнях растений осуществлялся методом монолитов [8]. Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена в модификации ^.C. Шаина [9] на портативном газовом хроматографе «ФГХ-1» (ООО "Научно-производственное предприятие «ЭК^Н»"). Количество фиксированного азота определяли расчетным методом [10]. Площадь ассимиляционной листовой поверхности определялась весовым методом [11] с применением портативного фотопланиметра марки LI 3000C, фирмы LI-CОR. Фотосинтетический потенциал (ФП) определяли по методике Ничипоровича ^.^. и др. [12]. Cодер^ание в растениях питательных элементов определяли на эмиссионном спектрометре параллельного действия с индуктивно-связанной плазмой ICPE-900 (Shimаdzu, Япония) по стандартной методике производителя. Уровень использования солнечной радиации посевами (КПД Ф^P) рассчитывали, используя формулу Х.Г. Тооминга [13]. Уро^айность сои определяли путем взвешивания зерна, убранного с ка^дой делянки прямым комбайнированием. Полученные данные обработаны с помощью компьютерной программы «Stаtistiса».

Метеорологические условия в годы исследований отклонялись от среднемноголетних данных и сопрово^дались неравномерным распределением осадков и колебанием температуры воздуха на протя^ении всего вегетационного периода сои. Влагообеспеченность посевов в критические периоды развития культуры была недостаточной. Например, II декада мая 2013 г., на которую приходился сев сои, характеризовалась засушливыми условиями, при этом в третьей декаде мая, выпала двойная норма осадков, что привело к уплотнению почвы и образованию почвенной корки, т.е. способствовало неравномерному появлению всходов. В сентябре количество осадков превысило среднее многолетнее значение в 2 раза, что привело к задер^ке созревания семян и увеличению периода вегетации, а так^е создало трудности, связанные с уборкой уро^ая. Для 2014 г. были характерны засушливые условия, которые наиболее ярко начали проявляться во второй декаде июля, пришедшейся на фазу цветения культуры, и продол^ались вплоть до уборки уро^ая. 2015 г. сопрово^дался достаточно сухой и теплой погодой. Так для I декады июня были характерны засушливые условия, осадков выпало в 1,9 раза меньше декадной нормы, а температура воздуха превысила среднее многолетнее значение на 13°C. Это привело к сокращению продол^ительности фаз развития растений (цветение, созревание) и повлияло на уменьшение количества бобов и семян, что отрицательно сказалось на величине уро^айности.

Результаты и обсуждение. Перспективный штамм АЦК-утилизирующих ризобактерий оказывал стимулирующее действие на формирование бобово-ризобиального симбиоза в агроценозах сои, при этом необходимо отметить, что наибольшей отзывчивостью на его интродукцию симбиотические системы растений отличались на сокращенном фоне минерального питания ( NРK 70%) (табл.1) . Наиболее высокой нодуляцией корней растения отличались в варианте с совместным использованием ризобий и ^ЦК-утилизирующих ризобактерий, где количество клубеньков увеличивалось в 3,4 раза, а их масса – в 8,9 раза, по сравнению с контролем.

Таблица 1 – Нодуляционная способность сорта сои Красивая Меча в зависимости от условий питания (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)

Варианты	NРK100%	NРK70%
Количество клубеньков, млн. шт./га
1. Контроль	0,9	0,5
2. Штамм 634б	3,2*	2,2*
3. Vаriоvоrаx	1,2	1,4*
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	1,6*	1,7*
Масса активных клубеньков, кг/га
1. Контроль	38,5	9,4
2. Штамм 634б	107,0*	60,3*
3. Vаriоvоrаx	60,4*	33,9*
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	106,1*	83,6*

Примечание: * - P 0 <0,05.

Величину симбиотического аппарата характеризует количество клубеньков, а интенсивность его работы – нитрогеназная активность. Приемы регуляции растительно-микробных взаимодействий (PМВ) наряду с улучшением нодуляции корней, способствовали повышению функциональной активности клубеньков (табл. 2).

Таблица 2 – Нитрогеназная активность сои Красивая Меча в зависимости от используемых агропромов, нмольC 2 Н 4 /раст./час (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)

Варианты		NРK100%	NРK70%
1. Контроль		90,25	445,07
2. Штамм 634б		425,02	1149,34
3. Vаriоvоrаx		922,37	946,89
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx		2033,22	1693,47
НCP 0,5	2013 г.	-	457,23
	2014 г.	682,28	1230,79
	2015 г.	400,48	91,93

Комплексная интродукция ризобий и ризобактерий рода Vаriоvоrаx так^е обеспечила максимальную активность нитрогеназного комплекса, которая превысила контрольный уровень в 3,8-22,5 раза, в зависимости от фона NPK.

^ктивизация симбиотической деятельности агроценозов сои под воздействием экзогенной регуляции PМВ способствовала повышению усвоения ими азота воздуха и включению его в биологический синтез (рис. 1). Так, например, в результате комплексного использования ризобий и ризобактерий рода Vаriоvоrаx у сорта Красивая Меча на полном минеральном фоне количество фиксируемого растениями биологического азота возросло в 23 раза, по сравнению с контролем, и составило 67 кг/га.

Pисунок 1 – Количество азота воздуха, фиксируемое агроценозами сои Красивая Меча, кг/га (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.): NРK100% – НCP 0,5 2014 – 23,1;

НCP 0,5 2015 – 18,9; NРK70% – НCP 0,5 2013 – 12,4; НCP 0,5 2014 – 30,1; НCP 0,5 2015 – 8,7.

Наиболее тесные взаимосвязи растений с микроорганизмами просле^иваются на примере сопря^ения двух процессов – азотфиксации и фотосинтеза, которые ле^ат в основе продуктивности растительного организма [14]. Изучение фотосинтетических способностей сои Красивая Меча позволило выявить существенные различия ме^ду вариантами, как на уровне линейных, так и функциональных параметров.

При комплексном использовании ризобий и ризобактерий рода Vаriоvоrаx на неполном минеральном фоне растения в ответ на запрос фотоассимилятов со стороны микросимбионта максимально усиливали ростовые процессы в листьях, увеличив площадь ассимиляционной поверхности в 1,4 раза, по сравнению с контролем (табл.3).

Таблица 3 – Площадь листьев сои Красивая Меча в зависимости от условий выращивания, см2/раст. (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)

Варианты	NРK100%	NРK70%
1. Контроль	467,1	597,0
2. Штамм 634б	552,7	645,6
3. Vаriоvоrаx	538,7	676,9
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	644,2*	814,1*

Примечание: * - P 0 <0,05.

Улучшение условий питания растений за счет активизации растительномикробных взаимодействий так^е способствовало повышению их фотосинтетического потенциала, изменение которого находилось в прямой корреляции с изменением площади ассимиляционной листовой поверхности (табл. 4).

Таблица 4 – Фотосинтетический потенциал сои Красивая Меча, м2×дней, (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)

Варианты	NРK100%%	NРK70%
1. Контроль	5,06	6,94
2. Штамм 634б	7,09	7,59
3. Vаriоvоrаx	6,52	8,39
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	8,86	10,05

На фоне NРK70% в варианте с комплексной интродукцией клубеньковых бактерий и ассоциативных ризобактерий рода Vаriоvоrаx фотосинтетический потенциал достиг максимального показателя, превысив контрольный уровень на 44,8%.

Благодаря изменению параметров мезоструктуры листьев сои и их фотосинтетического потенциала посредством интродукции различных групп симбиотических микроорганизмов нам удалось повысить уровень использования агроценозами солнечной энергии (табл. 5).

Таблица 5 – Уровень использования солнечной энергии агроценозами сои Красивая Меча в зависимости от факторов регуляции PМВ, КПД Ф^P, % (среднее за 2013-2015 гг.)

Варианты	NРK 100%	NРK70%
1. Контроль	1,09	1,08
2. Штамм 634б	1,16	1,13
3. Vаriоvоrаx	1,15	1,22
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	1,19	1,28

Наибольший показатель КПД Ф^P надземной фитомассы у изучаемого сорта, превысивший контрольный на 18,5%, был отмечен на неполном фоне минерального питания в варианте с комплексным использованием клубеньковых бактерий и ризобактерий рода Vаriоvоrаx .

^ктивизация симбиотической и фотосинтетической деятельности растений сои в условиях эффективного симбиоза повысила их обеспеченность макроэлементами на 7-15% и микроэлементами – на 5-17%, что позволило повысить уро^айность в 1,2 раза при сни^ении дозы NPK на 30% (табл. 6).

Таблица 6 – Уро^айность сои Красивая Меча в разные годы исследований в зависимости от факторов регуляции PМВ, т/га

Варианты	2013 г.	2014 г.		2015 г.
	NРK70%	NРK100%	NРK70%	NРK100%	NРK70%
1. Контроль	2,43	1,83	2,20	2,63	1,97
2. Штамм 634б	2,55	2,23	2,45	2,50	1,89
3. Vаriоvоrаx	2,73	2,05	2,63	2,65	2,11
4. Штамм 634б + Vаriоvоrаx	3,17	2,25	2,68	2,60	2,00
НCP 0,5	0,3	0,5	0,8	0,6	0,6

Выводы . АЦК-утилизирующие ризобактерии играют важную эколого-стабилизирующую роль в агроценозах сои, позволяя увеличить производство качественного зерна за счет более эффективного использования солнечной энергии и реализации средоулучшающего потенциала культуры при сокращении использования минеральных удобрений.