CC BY
104
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, № 2
Продуктивность кормовых и лекарственных растений
УДК 633.1/.2:581.132:631.559.2:631.461.5
АЗОТФИКСАЦИЯ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА В ЛЮПИНО-ЯЧМЕННОМ АГРОЦЕНОЗЕ
А.С. КОНОНОВ
В условиях Брянской области в полевых опытах сравнили показатели фотосинтетиче-ской активность у растений в одновидовых и смешанных люпино-злаковых посевах (люпин узколистный Lupinus angustifolius L. сорта Белозерный 110 и ячмень Hordeum sativum L. сорта Зазер-ский 85), а также на фоне применения препаратов клубеньковых бактерий и ассоциативных микроорганизмов (Rhizobium lupine штамм 363а, мизорин и флавобактерин). Установлено, что интенсивность фотосинтеза в бобово-злаковом гетерогенном агроценозе выше, чем в одновидовых посевах, и эти различия сохраняются при инокуляции семян клубеньковыми и ассоциативными ри-зобактериями. Содержание хлорофилла в листьях у ячменя повышалось в 1,6 раза по сравнению с вариантами без применения бактериальных препаратов. В смешанных посевах доля азота, поглощенного ячменем из корневых выделений люпина, составляла более 25 % от всего количества азота, полученного злаковой культурой.
Ключевые слова: Lupinus angustifolius, азотфиксация, ризобактерии, фотосинтез, смешанные посевы, хлорофилл.
Keywords: Lupinus angustifolius, nitrogen fixation, rhizobacteria, photosynthesis, mixed crops, chlorophyll.
Полноценные концентрированные корма со сбалансированным соотношением лизина и метионина можно получать за счет выращивания смешанных люпино-злаковых посевов (1), одной из основных проблем при конструировании которых остается питание растений.
О прижизненном обмене метаболитами в фитоценозе через соседствующие корневые системы известно давно (2). До 30-50 % от общего количества продуктов фотосинтеза за вегетационный период отчуждается с корневыми выделениями (3).
Содержание свободных аминокислот в корневых выделениях существенно различается у злаковых и бобовых культур, причем у последних оно выше (4). Например, у пелюшки в корневых выделениях обнаружено 18 аминокислот. В среднем за сутки одно растение выделяет до 152 мг аминокислот, что составляет 10-17 кг аминного азота за вегетацию (4). В корневых выделениях люпина преобладает аспарагиновая кислота, которая способна легко усваиваться другими растениями (Е.И. Ратнер с соавт., 1961). В корневой сфере смешанных посевов люпина со злаками она служит источником дополнительного азотного питания для последних.
По расчетам А.М. Гродзинского (1965), водорастворимые органические выделения корней могут составлять 30-40 ц/га при общем урожае сухого вещества корневой системы 60-70 ц/га. Поступающие в почву через корни органические вещества активизируют деятельность как диазотрофов, так и гетеротрофов, разлагающих гумус. Эффективность мобилизации азота в системе почва—микроорганизмы—растение за счет его связывания из атмосферы и извлечения из гумусовых веществ определяется наличием легкодоступного азота. Так, с увеличением соотношения углерода и азота в почве усиливается азотфиксации, а повышение фотосинтетической активности растений приводит к возрастанию степени минерализации гумуса.
В последние 40 лет опубликованы фундаментальные работы по проблеме азотфиксации у автотрофных растений (5-15). В этот период важ-
нейшим направлением было изучение азотфиксации как процесса, лимитирующего у бобовыгх остальные реакции метаболизма азота, а также установление взаимосвязи азотфиксации с фотосинтезом. В частности, поступление фотоассимилянтов из листьев в клубеньки рассматривалось как главный фактор, ограничивающий восстановление молекулярного азота и его ассимиляцию (Е.Н. Мишустин, 1968; Н.Г. Федулова, 1980; В.И. Романов, 1983).
Согласно современным представлениям, существует высокочувствительный механизм, контролирующий активность нитрогеназы, непосредственно связанный как с фотосинтетическими возможностями бобового растения, так и с его потребностями в азоте (12, 16), и растению принадлежит ведущая роль в регуляции эффективности симбиотической азотфиксации. В первую очередь, от макросимбионта бактерии получают углеводы, необходимые для роста и фиксации азота атмосферы — в расчете на одну молекулу N2 требуется 15 молекул АТФ (или на 1 мг N2 — 10,3 мг углеводов). При активной азотфиксации около 30 % углеводов, синтезированных в процессе фотосинтеза, затрачивается клубеньками на связывание азота воздуха (6), при этом 42 % передается корням, несущим клубеньки, и только 26 % используется для синтеза сухого вещества надземной массы (Е.П. Старченко, 1987). Передвижению углеводов в растении способствует калий, поэтому на фоне калийных удобрений масса и азотфикси-рующая способность клубеньков возрастают (6).
По мнению А.Л. Кокориной и А.П. Кожемякова (15), эффективность симбиоза в значительной степени определяется не только площадью фотосинтезирующей поверхности, но и количеством хлорофилла. На мутантах гороха доказано, что при низком содержании хлорофилла (3 % от нормы) у растений формировался нормальный симбиотический аппарат, однако фиксация молекулярного азота не происходила (17). С увеличением количества пигмента активность нитрогеназы повышалась, и при содержании хлорофилла 40-60 % от нормы различий по нитрогеназной активности практически не наблюдали. На ограничение фотосинтеза или роста симбиотическая система бобового растения отвечает падением количества фиксируемого азота. Например, при затемнении у люпина в клубеньках нитрогеназная активность резко уменьшалась уже после 1-х сут, через 3-5 сут ацетилен-восстанавливающая способность снижалась до 3-5 % по сравнению с показателем у растений, находящихся на свету. При уменьшении притока фотоассимилятов к клубенькам, вызванном затемнением, в них заметно снижалось содержание леггемоглобина (18). Таким образом, процессы азотфиксации и фотосинтеза у бобовых тесно взаимосвязаны, поэтому применение биопрепаратов, способных оптимизировать рост и развитие растений, рассматривается в качестве перспективного приема повышения урожайности (7, 13-15, 19-21).
Цель настоящей работы — изучить влияние клубеньковых бактерий и ассоциативных микроорганизмов на интенсивность фотосинтеза в смешанных люпино-злаковых посевах.
Методика. Наблюдения проводили в 1998-2007 годах в условиях опытного поля (г. Брянск). Почвы — серые лесные легкосуглинистые с содержанием гумуса по Тюрину 2,4-3,1 %, подвижного фосфора Р2О5 по Кирсанову — 22-28 мг и обменного калия К2О по Масловой — 14-20 мг на 100 г почвы, рНсол. 5,2-5,8, структура — комковато-зернистая, переходящая в верхнем слое в комковато-пылеватую, способную заплывать после дождей. Климатические факторы в целом благоприятные: осадки в течение года выпадают относительно равномерно, отсутствует длительное переувлажне-
ние и систематические засухи. Годовая сумма осадков — 550-600 мм, за вегетационный период (апрель-сентябрь) — 320-350 мм, гидротермический коэффициент — 1,3-1,6, сумма активных температур — от 1970 до 2340 °С. В некоторые месяцы могут создаваться как засушливые условия, так и избыточное увлажнение, что отрицательно сказывается на формировании урожая в смешанных посевах.
Объектами исследований были сорта люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) Белозерный 110 и ячменя (Hordeum sativum L.) За-зерский 85. В монокультуре норма высева (млн всхожих семян на 1 га) для люпина составила 1,2, для ячменя — 5,5, в смешанных посевах — 1,0 (люпин) + 1,6 (ячмень). В качестве микросимбионтов использовали препараты клубеньковых бактерий рода Rhizobium lupine штамм 363а (ризо-торфин), а также ассоциативных ризобактерий (мизорин и флавобактерин). Препараты были предоставлены Всероссийским НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург—Пушкин).
При изучении накопления азота растениями в смешанных фитоагроценозах (без применения микробиологических препаратов) контролями служили одновидовые посевы. Для определения интенсивности фотосинтеза и содержания хлорофилла в листьях под влиянием клубеньковых и ассоциативных ризобактерий сраванивали следующие варианты: контроль 1, контроль 2 и контроль 3 — соответственно одновидовые и смешанный посевы без обработки ризобактериями; опыт — смешанные посевы на фоне обработки одним из бактериальных препаратов (ризоторфин, флавобактерин или мизорин) либо при совместном применении ризотор-фина и флавобактерина или ризоторфина и мизорина. В день высева семена обрабатывали препаратами согласно схеме опыта из расчета 200 г ризоторфина, 400 г мизорина или флавобактерина на 1 га.
Интенсивность фотосинтеза оценивали при помощи прибора, предложенного Ивановой и Коссович (Ф.Д. Сказкин с соавт., 1953), количество хлорофилла в листьях — на фотоэлектроколориметре КФК-2 (Россия) в фазу бутонизации, концентрацию веществ в растворе — по градуировочным графикам. Коэффициент симбиотической азотфиксации вычисляли методом сравнения с небобовой культурой (22). Содержание общего азота определяли по Кьельдалю (ГОСТ 13496.4-93), фосфора и калия — соответственно ванадо-молибдатным (ГОСТ 26657-97) и пламенно-фотометрическим (ГОСТ 30504-97) методом (23-25).
Для статистической обработки данных применяли дисперсионный анализ (26).
Результаты. Использованные в качестве объекта исследования сорта люпина и ячменя — наиболее распространенные в юго-западной части Нечерноземной зоны. В смешанном люпино-ячменном агроценозе на фоне внесения клубеньковых и ассоциативных ризобактерий улучшалось минеральное питание растений, что благоприятно влияло на формирование урожая. Содержание азота в расчете на единицу площади посева увеличилось на 11-19, фосфора — на 17-49, калия — на 34-55 %. Листовой индекс в люпино-ячменном агроценозе был на 17-23 % больше, чем в среднем по одновидовым посевам.
Вместе с тем в смешанных посевах растения люпина к фазе бутонизации испытывали дефицит инсоляции из-за затенения верхним ярусом листьев более высокорослых на этот период растений ячменя. Можно предположить, что преобразование фосфоглицериновой кислоты (ФГК) в фосфоглицериновый альдегид (ФГА) в цикле Кальвина лимитировано недостатком НАДФН, вызванным затенением, и ФГК при этом превра-
щается в пировиноградную кислоту (ПВК) (27). ПВК в присутствии NH3 образует аланин, а в цикле Кребса — ряд органических кислот. Аминокислоты и амиды, синтезируемые в растении люпина в условиях затенения, в результате водного стресса выделяются в ризосферу, а затем ассимилируются корнями ячменя. Водный стресс в смешанных посевах возникает вследствие интенсивной транспирации. Как показали наши исследования, суммарное испарение влаги люпином и ячменем с единицы площади смешанного посева было на 75 % выше, чем у люпина в одновидовом посеве.
Экзосмос азотистых веществ из клеток корней бобового растения обеспечивал злаки дополнительным азотом. Доля азота, который поступал в ячмень из корневых выделений люпина, составляла более 25 % от всего количества, поглощенного ячменем (табл. 1). При этом в смешанном посеве на фоне усиления азотного питания площадь фотосинтезирующих органов у ячменя увеличивалась примерно в 1,5-2,2 раза. Листовой индекс у люпина, напротив, уменьшался в 2,5-2,6 раза по сравнению с показателем в одновидовом фитоценозе.
1. Накопление азота в биомассе в одновидовых и смешанных посевах люпина узколистного Lupinus angustifolius L. (сорт Белозерный 110) и ячменя Hor-deum sativum L. (сорт Зазерский 85) (опытное поле, г. Брянск, 19982007 годы)
Культура Число растений, шт/м2 Поглощено азота в биомассе растений, г/м2 Коэффициент поглощения симбиотического азота биомассой растений, %
молекулярного азота воздуха минерального азота почвы всего
Одновидовой агрофитоцено з
Бобовая 75 20,02 6,51 32,53 80,0
Злаковая 264 0,00 24,37 24,37 0,0
Смешанный а г рофитоц е н о з
Бобовая 70 7,59 5,81 13,40 56,6
Злаковая 130 6,06 17,94 24,00 25,3
Уменьшение листового индекса у бобового растения в смешанном агрофитоценозе — результат регуляторного взаимодействия его компонентов, характерного для гетерогенной биосистемы. Это уменьшение не оказывало отрицательного влияния на общую интенсивность фотосинтеза в агроценозе. Поглощение СО2 на единицу площади листовой поверхности у люпина оставалось таким же, как в одновидовом посеве (табл. 2).
2. Интенсивность фотосинтеза и содержание хлорофилла в листьях у растений в смешанных посевах люпина узколистного Lupinus angustifolius L. (сорт Белозерный 110) и ячменя Hordeum sativum L. (сорт Зазерский 85) под влиянием препаратов клубеньковых и ассоциативных ризобактерий (опытное поле, г. Брянск, среднее за 2005-2007 годы)
Вариант Интенсивность фотосинтеза, мг СО2 -дм"2 -ч-1 Содержание хлорофилла в листьях, мг/мл
люпин I ячмень люпин | ячмень
Люпин без обработки (контроль 1) 132,8 1,52
Ячмень без обработки (контроль 2) 25,0 1,27
Люпин + ячмень без обработки (контроль 3) 122,8 38,3 1,44 1,42
Люпин + ячмень + ризоторфин 129,4 42,1 1,62 1,69
Люпин + ячмень + флавобактерин 118,1 50,3 1,48 1,84
Люпин + ячмень + мизорин 125,1 56,3 1,71 2,08
Люпин + ячмень + ризоторфин + флавобактерин 121,2 53,2 1,78 2,11
Люпин + ячмень + ризоторфин + мизорин 123,8 59,3 1,66 2,28
НСР05 8,3 11,4 0,09 0,22
В одновидовых посевах интенсивность фотосинтеза у растений люпина в 5,3 раза превышала аналогичный показатель у ячменя.
При инокуляции семян клубеньковыми и ассоциативными ризо-
бактериями в смешанном посеве интенсивность фотосинтеза в вариантах с применением штамма 363а совместно с флавобактерином или мизорином увеличивалась в 2,3 раза по сравнению со средним показателем по одновидовым посевам (см. табл. 2).
У люпина в смешанном посеве интенсивность фотосинтеза снижалась на 2,5-11,1 % по сравнению с показателем в монокультуре (см. табл. 2). При инокуляции семян люпина и ячменя смесью ризобактерий (ризотор-фин + мизарин) поглощение углекислоты в гетерогенном агроценозе составило 183,1 мг С02*дм-2,ч-1, что на 25,3 мг С02*дм-2,ч-1, или на 32,0 %, больше соответствующего суммарного показателя для одновидовых посевов без обработки ризобактериями. Клубеньки на корнях люпина в смешанном посеве имели розовую окраску, а их масса в расчете на растение была приблизительно равна средней в одновидовом посеве. У ячменя при совместном посеве с люпином количество поглощенного СО2 в 1,5-2,4 раза превышало соответствующий показатель в одновидовом агрофитоценозе (см. табл. 2). Следовательно, в смешанном посеве злаковая культура потребляла СО2 интенсивнее, чем люпин.
Обработка семян клубеньковыми и ассоциативными ризобактериями увличивала количество хлорофилла в листьях у люпина на 18,723,6, у ячменя — на 46,5-60,5 % по сравнению с показателем в смешанном агрофитоценозе без обработки (см. табл. 2). При совместном посеве содержание хлорофилла в листьях у ячменя зависело от потребления азота в расчете на одно растение, которое в смешенном посеве было в 2 раза больше, чем в одновидовом. Кроме того, в смешанных посевах, где использовались клубеньковые и ассоциативные ризобактерии, содержание хлорофилла у люпина повысилось в 1,2-1,3 раза относительно значения для смешанного посева без применения бактериальных препаратов. При совместном использовании клубеньковых и ассоциативных ризобактерий содержание хлорофилла у ячменя увеличилось в 1,5-1,6 раза по сравнению с контролем (см. табл. 2).
Таким образом, интенсивность фотосинтеза в люпино-ячменном гетерогенном агрофитоценозе без применения ризобактерий в 2 раза выше, чем по двум одновидовым посевам (люпина и ячменя) в среднем. При инокуляции семян клубеньковыми и ассоциативными ризобактериями в смешанном посеве она увеличивается в 2,3 раза по сравнению с соответствующей средней по культурам-компонентам в одновидовых посевах и на 13,7 % — относительно показателя для смешанного посева без обработки ризобактериями. Интенсивность фотосинтеза и содержание хлорофилла прямо зависят от азотного питания обоих компонентов агрофитоценоза. В биомассе растений ячменя в смешанных посевах доля азота, поглощенного из корневых выделений люпина, составляет более 25 % от количества, полученного злаковой культурой. В смешенных посевах при использовании клубеньковых и ассоциативных ризобактерий содержание хлорофилла у ячменя в 1,6 раза выше, чем без применения бактериальных препаратов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. К о н о н о в А.С. Люпин: технология возделывания в России. Брянск, 2003.
2. Г р о д з и н с к и й A.M. Аллелопатия растений и почвоутомление. Киев, 1991.
3. Б а б ь е в а И.П., 3 е н о в а Г.М. Биология почв. М., 1989.
4. М и н ь к о И.Ф. Изменение минерального питания растений в зависимости от струк-
туры агрофитоценоза. В сб. тр.: Гумус и азот в земледелии Нечерноземной зоны РСФСР. Л., 1987: 62-74.
5. М и л ь т о Н.И. Клубеньковые бактерии и продуктивность бобовых растений. Минск, 1982.
6. В а в и л о в П.П., П о с ы п а н о в Г.С. Бобовые культуры и проблема растительного белка. М., 1983.
7. Б е р е с т е ц к и й О.А., В о з н я к о в с к а я Ю.М., Д о р о с и н с к и й Л.М.,
К р у г л о в Ю.В., М у р о м ц е в Г.С., Т а р в и с Т.В., Т у е в Н.А., Ч у н-
д е р о в а А.И. Биологические основы плодородия почв. М., 1984.
8. М и ш у с т и н Е.Н. Минеральный и биологический азот в земледелии СССР. М., 1985.
9. К р е т о в и ч В.Л. Усвоение и метаболизм азота у растений. М., 1987.
10. К о ж е м я к о в А.П., Д о р о с и н с к и й Л.М. Роль нитрагинизации в повышении
урожая и накоплении белка бобовыми культурами. Тр. ВНИИ сельскохозяйственной
микробиологии, 1987, 57: 7-15.
11. К р а в ч е н к о Л.В., К р а в ч е н к о И.К., Б о р о в к о в А.В., П ш и к р и л 3. Возможность биосинтеза ауксинов ассоциативными азотфиксаторами в ризосфере пшеницы. Микробиология, 1991, 60(5): 927.
12. Т и х о н о в и ч И.А., П р о в о р о в Н.А. Сельскохозяйственная микробиология как основа экологически устойчивого агропроизводства: фундаментальные и прикладные аспекты. Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 3-9.
13. 3 а в а л и н А.А. Биопрепараты, удобрения и урожай. М., 2005.
14. Т и х о н о в и ч И.А., К о ж е м я к о в А.П., Ч е б о т а р ь В.К. Биопрепараты в сельском
хозяйстве. М., 2005.
15. Новые технологии производства и применения биопрепаратов комплексного действия /Под ред. А.А. Завалина, А.П. Кожемякова. СПб, 2010.
16. M i n c h i n F.R. The regulation of nitrogen fixation in legumes. In: New approaches and techniques in breeding sustainable fodder crops and amenity grasses. Vena, 1999: 3-16.
17. Т и х о н о в и ч И.А., Р о м а н о в В..И., А л и с о в а С.М. Азотфиксация и фотоас-симиляты в клубеньках хлорофилльных мутантов гороха. Генетика, 1985, 21: 1021-1025.
18. Б е л и м а Н.И., Ш и п о т а А.К. Функциональная активность бактероидов в зависимости от условий обеспечения растительными ассимилятами. В сб.: Биологическая фиксация молекулярного азота. Киев, 1983: 157-161.
19. В а с ю к Л.Ф. Азотфиксирующие организмы на корнях небобовых растений и их практическое использование. В сб.: Биологический азот в сельском хозяйстве СССР. М., 1989: 88-98.
20. 3 а в а л и н А.А., А л м е т о в Н.С. Применение биопрепаратов и биологический азот в земледелии Нечерноземья. М., 2009.
21. К о к о р и н а А.Л., К о ж е м я к о в А.П. Бобово-ризобиальный симбиоз и приме-
нение микробиологических препаратов комплексного действия — важный резерв повышения продуктивности пашни. СПб, 2010.
22. П о с ы п а н о в Г.С. Методы изучения биологической фиксации азота воздуха:
справ. пос. М., 1991.
23. ГОСТ 13496.4-93. Межгосударственный стандарт. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания азота и сырого протеина. Минск, 1993.
24. ГОСТ 26657-97. Межгосударственный стандарт. Корма, комбикорма, комбикормовое
сырье. Методы определения содержания фосфора. Минск, 1999.
25. ГОСТ 30504-97. Межгосударственный стандарт. Корма, комбикорма, комбикормовое
сырье. Пламенно-фотометрический метод определения содержания калия. Минск, 1997.
26. Д о с п е х о в Б.А. Методика полевого опыта. М., 1985.
27. К р е т о в и ч В.Л. Биохимия растений. М., 1986.
ФГБОУ ВПО Брянский государственный Поступила в редакцию
университет им. академика И.Г. Петровского, 15 марта 2011 года
241036 г. Брянск, ул. Бежицкая, 14, e-mail: [email protected]
NITROGEN FIXATION AND PHOTOSYNTHESIS ACTIVITY IN LUPINE- BARLEY AGROCENOSIS
A.S. Kononov
S u m m a r y
The intensity of photosynthesis was estimated in mixed lupine-cereals sowing, including the seed treatment by nodule bacteria and associative microorganisms. It was established, that the photosynthesis intensity in legumes-cereals heterogeneous agrocenosis is higher, than it is in homospecific
sowing. After seed inoculation by nodule and associative rhizobacteria in mixed lupine-barley sowing the photosynthesis intensity increases also. The chlorophyll content in barley leaves increased to 1.6-fold their values without application of bacterial preparations. In mixed sowing the nitrogen part, absorbed by barley from lupine roots, is more 25 % from total nitrogen volume, obtained by cereal crop.
