Влияние бактериального биоудобрения на морфофизиологические показатели горчицы в условиях солевого стресса

Борисова Г.Г., Авраменко А.В., Тугбаева А.С., Собенин А.В., Малева М.Г. Влияние бактериального биоудобрения на морфофизиологические показатели горчицы в условиях солевого стресса // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2025. № 1(69). С. 4-14.

Засоление почв является одной из наиболее серьёзных экологических проблем, с которыми сталкивается сельское хозяйство во всем мире. Засоление может быть результатом естественных процессов, однако на сегодняшний день большая часть территорий с повышенным содержанием солей приурочена к урбанизированным районам [4; 7]. Чаще всего это связано с чрезмерным использованием химических удобрений и пестицидов, неправильным орошением и, в целом, с высокой нагрузкой на пахотный слой, что приводит к деградации почв и сокращению пахотных территорий [2; 7; 9].

Повышенное содержание солей в почве подкисляет её, ускоряет процессы минерализации, угнетает жизнедеятельность ассоциативных микроорганизмов, связывает почвенную влагу, приводит к нарушению не только физиологических процессов в растениях, но и биогеохимических циклов элементов в целом [2; 5]. Понимание этих процессов важно для разработки эффективных технологий выращивания культурных

растений на засоленных почвах, а также восстановления деградированных территорий [2; 8].

Перспективной стратегией решения данной проблемы является использование экологически безопасных биопрепаратов, повышающих устойчивость сельскохозяйственных культур к солевому стрессу, а также предотвращающих дальнейшее засоление почв. Одним из таких мелиорантов является биочар, получаемый из органических материалов путем пиролиза [8; 15]. Многими авторами отмечено, что добавление биочара в засоленную почву увеличивает содержание органических и минеральных веществ, улучшает аэрацию и влагоудерживающую способность почвы, а также нормализует pH почв. Благодаря абсорбционной способности, биочар может связывать различные токсичные вещества – например, ионы натрия, – уменьшая их доступность для растений [10; 12]. Кроме того, биочар может выступать в качестве носителя для различных микроорганизмов [3; 9; 16]. Поэтому его часто используют в сочетании с ризосферными бактериями, стимулирующими рост растений (от англ. “Plant Growth-Promoting Rhizobacteria”, PGPR), которые даже в условиях стресса улучшают усвоение питательных веществ и способствуют развитию корневой системы и росту растений [11; 13]. Такое комбинированное использование биочара и PGPR может создать синергетический эффект, способствующий снижению солевого стресса у растений, восстановлению засоленных почв, а также повышению их продуктивности [1; 9; 13; 14].

Цель исследования – оценить влияние биоудобрения на основе биочара и галотолерантного штамма PGPR Pseudomonas sp. STF14 на рост и некоторые физиологобиохимические характеристики горчицы сарептской ( Brassica juncea (L.) Czern) в условиях солевого стресса, вызванного действием хлорида натрия.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования был выбран салатный сорт горчицы сарептской «Частушка», как раннеспелый и высокоурожайный; кроме того, эта важная сельскохозяйственная культура широко используется в аграрном секторе и в пищевой промышленности. Известно, что горчица сарептская способна к быстрому росту, обладает высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям среды и может расти на бедных и засоленных почвах, улучшая их структуру и повышая плодородие [19].

В ходе эксперимента изучали эффекты бактериального биоудобрения (ББУ) на основе биочара и селективного штамма PGPR ( Pseudomonas sp. STF14). Для его создания был использован коммерческий биочар (ООО «ДианАгро», Новосибирск, Россия), изготовленный из берёзовой древесины путем пиролиза. Для создания ББУ был также выбран штамм PGPR, выделенный в 2023 г. из ризосферы Tussilago farfara L., произрастающей вблизи рудника «Сафьяновская медь» (Реж, Свердловская область). Принадлежность этого штамма к роду Pseudomonas была подтверждена с помощью секвенирования генома 16S рРНК [21]. Предварительное тестирование штамма на PGP-способности и устойчивость к засолению показало, что он способен к солюбилизации

I^^^J 6

фосфатов (до 34,8 мг PO 4 ^3-/л), продукции индолил-3-уксусной кислоты (ИУК, до 31,8 мг/л), выработке сидерофоров и аммиака [21]; кроме того, он оказался устойчив к высоким концентрациям NaCl – выдерживал до 800 мМ без угнетения роста культуры.

Для создания ББУ биочар измельчали, а затем смешивали в пропорции 5:1 (по объему) с жидкой культурой Pseudomonas sp. STF14 (10⁸ КОЕ/мл), предварительно выращенной на среде Луриа–Бертани. Готовое биоудобрение добавляли к торфогрунту (низинный нейтрализованный торф, ГК «Селигер-Агро», Тверь, Россия) в концентрации 2,5% (по объему) и использовали для заполнения пластиковых контейнеров объемом 3 л. Эксперимент включал 4 варианта: 1) контрольный торфогрунт (ТГ); 2) ТГ + 2,5% ББУ; 3) ТГ + 80 мМ NaCl; 4) ТГ + 2,5% ББУ + 80 мМ NaCl. Повторность составляла 3 контейнера по ~150 растений. Для формирования солевого стресса растения в 3-м и 4-м вариантах поливали дважды в неделю 80 мМ раствором NaCl (0,5 л на контейнер), начиная с 7-го дня вегетации после появления всех всходов.Выбор данной концентрации соли был обусловлен результатами рекогносцировочного эксперимента, в ходе которого семена горчицы предварительно проращивали 5 суток на чашках Петри в градиенте концентраций NaCl (0– 150 мМ). Всхожесть семян горчицы в среднем составляла около 50%. Растения выращивали при естественном освещении и комнатной температуре; общее время вегетации – 21 день.

По окончании эксперимента на свежем растительном материале были измерены длина и сырая биомасса сеянцев, а также определены некоторые физиолого-биохимические характеристики растений, содержание натрия в побегах и физико-химические параметры почв. Для анализа содержания фотосинтетических пигментов их экстрагировали из свежих листьев (50 мг) в 80% растворе охлажденного ацетона. Содержание хлорофиллов (Хл а , Хл b ) и каротиноидов определяли спектрофотометрически («APEL» PD-303UV) при 470, 647 и 663 нм и рассчитывали согласно Lichtenthaler [20]. Содержание малонового диальдегида (МДА) определяли после гомогенизации навески свежих листьев в растворе 0,25% тиобарбитуровой кислоты в 10% трихлоруксусной кислоте [17]. Содержание свободного пролина определяли по модифицированной методике с использованием кислого нингидринового реактива [6]. Величину рН, удельную электропроводность (ЕС) и содержание NaCl определяли в почвенно-водной суспензии в соотношении 1:5 (почва: дистиллированная вода) с помощью портативного рН-метра/кондуктометра (Hanna Instruments GmbH, Graz, Австрия). Определение содержания доступного натрия в почве и общего натрия в побегах проводили при помощи атомно-абсорбционного спектрометра AA240FS (Varian Australia Pty Ltd., Австралия). Доступный натрий определяли после экстракции 2,5 г почвы в 50 мл 5% HNO 3 (осч.), а общий натрий в растительном материале – после его озоления 70%-ной азотной кислотой.

Статистическая обработка проводилась с использованием MS Excel 16.0 и STATISTICA 13.0 (StatSoft Inc., США) и включала в себя расчёт средних арифметических значений каждого параметра и их стандартных ошибок, которые отражены в таблице и на рисунках. При сравнении данных использовали двухфакторный дисперсионный анализ

(two-way ANOVA). В случае значимого влияния рассматриваемого фактора проводили попарное сравнение между его категориями с использованием апостериорного критерия Тьюки (Tukey's test). В таблице и на рисунках разными буквами латинского алфавита обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05.

Результаты и их обсуждение

Оценка влияния ББУ и засоления на ростовые показатели горчицы показала, что наиболее значимым фактором оказалось добавление ББУ: длина и сырая биомасса побега увеличивались в среднем на 22% по сравнению с контролем (рис. 1). Это было подтверждено результатами двухфакторного дисперсионного анализа (F= 29,44; p < 0,001).

Рис. 1. Длина (А) и сырая биомасса (Б) трехнедельного побега горчицы сарептской. ТГ -контрольный торфогрунт. ББУ - бактериальное биоудобрение. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 4). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между вариантами при p < 0,05

Обработка солевым раствором ингибировала длину и биомассу побега в среднем на 15% от контроля (рис. 1). Совместное влияние ББУ и NaCl не было значимым (F = 0,75; p = 0,48), однако длина и биомасса побега увеличивались на 11 и 23%, соответственно, следовательно, внесение ББУ в некоторой степени нивелировало солевой стресс и способствовало росту горчицы.

Способность многих штаммов бактерий, ассоциированных с культурными растениями, стимулировать их рост и повышать устойчивость в условиях стресса давно доказана [1; 11; 21]. Положительный эффект ББУ на параметры роста горчицы, очевидно, объясняется увеличением доступности важнейших нутриентов под влиянием ризобактерий, а также проявлением ими других PGP - свойств. Так, ранее было показано, что используемый нами селективный штамм Pseudomonas sp. STF14 способен к солюбилизации недоступных фосфатов, продукции ИУК, а также выработке сидерофоров и аммиака [21].

Улучшению роста горчицы при добавлении ББУ, возможно, благоприятствовал и биочар, входящий в его состав. Известно, что он обладает способностью улучшать структуру почвы, увеличивать её водоудерживающую способность и содержание питательных веществ [3; 10; 12].

Одним из индикаторов ответной реакции растений на условия произрастания является состояние пигментного комплекса, которое зависит от содержания и соотношения фотосинтетических пигментов [20]. При внесении ББУ (отдельно или совместно с NaCl) содержание хлорофиллов и каротиноидов в среднем увеличивалось на 20% (рис. 2).

Рис. 2. Содержание хлорофиллов (А) и каротиноидов (Б) в листьях трехнедельных сеянцев горчицы сарептской. Хл – хлорофилл. ТГ – контрольный торфогрунт. ББУ – бактериальное биоудобрение. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 4). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между вариантами при p < 0,05

ANOVA-тест подтвердил значимость влияния данного фактора на фотосинтетические пигменты горчицы (F = 11,69; p < 0,01). При этом соотношение Хл a /Хл b и суммы хлорофиллов к каротиноидам в среднем составляло 2,3 и 5,5, соответственно, и достоверно не менялось, что свидетельствует об устойчивости пигментного комплекса изучаемой культуры.

Повышенное содержание продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), таких как МДА – индикатор того, что растения испытывают стресс и их мембраны повреждены [17]. Дисперсионный анализ показал достоверную значимость всех факторов, влияющих на этот параметр (F = 146,74; p < 0,001).

Добавление ББУ приводило к увеличению содержания МДА в листьях горчицы на 38% по сравнению с контролем (рис. 3А). Однако наибольший окислительный стресс был отмечен при поливе 80 мМ раствором NaCl – содержание МДА увеличивалось в 2 раза. Внесение в почву ББУ при солевом воздействии нивелировало негативное влияние NaCl, снижая количество продуктов ПОЛ на 37% по сравнению с контролем (рис. 3А). Полив растений горчицы раствором NaCl увеличивал содержание свободного пролина почти в 5 раз по сравнению с контролем, тогда как при совместном действии с ББУ его содержание было на 20% ниже (рис. 3Б).

Рис. 3. Содержание малонового диальдегида, МДА (А) и свободного пролина (Б) в листьях трехнедельных сеянцев горчицы сарептской. ТГ - контрольный торфогрунт. ББУ - бактериальное биоудобрение. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 4). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между вариантами при p < 0,05

Как было отмечено выше [19], B. juncea относится к культурам, для которых характерна высокая устойчивость к неблагоприятным факторам среды. Тем не менее, результаты исследования свидетельствуют о том, что используемая нами концентрация NaCl не только ингибировала рост салатной горчицы, но и вызывала окислительный стресс, сопровождающийся значительным увеличением содержания продуктов ПОЛ. Как известно, пролин играет ключевую роль в защите клеток от осмотического стресса. Поэтому NaCl-индуцируемая аккумуляция пролина является закономерной реакцией растения на солевой стресс. Более того, накопление пролина в клетках при стрессе способствует сохранению клеточного гомеостаза [18]. Подтверждением этому является отсутствие достоверных различий между вариантами по степени оводненности листьев горчицы: в среднем она составляла 93%.

Определение физико-химических показателей почвы по завершении эксперимента в сравнении с исходным ТГ показало отсутствие достоверных различий между всеми вариантами по значению pH, а также между субстратом до и после эксперимента – по значению ЕС, содержанию NaCl и ионов Na (табл.).

Таблица

Физико-химические показатели почвы до и после выращивания горчицы

Вариант

pH

EC, мСм/см

Содержание NaCl, %

Содержание Na, мг/г почвы

Исходный ТГ	5,93 ± 0,03a	0,623 ± 0,004d	0,025 ± 0,003b	0,212 ± 0,010c
ТГ (контроль)	5,97 ± 0,06a	0,851 ± 0,017cd	0,028 ± 0,005b	0,229 ± 0,010c
+ББУ	6,08 ± 0,06a	0,871 ± 0,025c	0,038 ± 0,003b	0,240 ± 0,011c
+NaCl	5,86 ± 0,05a	7,238 ± 0,107b	0,433 ± 0,024a	15,228 ± 0,515b
+ББУ+NaCl	5,98 ± 0,05a	8,350 ± 0,053a	0,478 ± 0,013a	17,375 ± 0,395a

Добавление ББУ слегка увеличивало общее содержание солей в почве, в том числе NaCl (на 36%). Полив раствором NaCl увеличивал величину ЕС, содержание NaCl и Na по сравнению с контролем в среднем в 8,5, 15,5 и 66,5 раз, соответственно (таблица). При комбинированном действии ББУ и NaCl значения ЕС, содержание NaCl и Na возрастали еще больше, что объясняется таким свойством биочара как повышенная емкость катионного обмена [3; 9; 10]. Содержание ионов натрия в побегах горчицы при поливе солевым раствором увеличивалось в 6,8 раза (до 30,8 ± 0,6 мг/г сухого веса) по сравнению с контрольным ТГ и ББУ (в среднем 4,8 ± 0,1 мг/г сухого веса). Однако при использовании NaCl в комбинации с ББУ оно снижалось на 46% (до 21,1 ± 0,7 мг/г сухого веса). Возможно, это связано с адсорбирующей способностью биочара вследствие его повышенной емкости поглощения катионов [3].

Заключение

В условиях NaCl-засоления у горчицы салатной сорт Частушка было отмечено почти семикратное увеличение содержания ионов натрия в побегах и ингибирование ростовых процессов, что свидетельствует о недостаточно высокой солеустойчивости данного сорта. Несмотря на это, содержание фотосинтетических пигментов и их соотношение было стабильным. На действие хлорида натрия растения горчицы отвечали пятикратным увеличением содержания свободного пролина, что, вероятно, способствовало снижению окислительного стресса. Биоудобрение на основе берёзового биочара и галотолерантного штамма PGPR Pseudomonas sp. STF14 улучшало параметры роста, препятствовало повышенной аккумуляции Na⁺ и отчасти смягчало негативные эффекты солевого стресса.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда, грант № 24-76-10062,