CC BY
23
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК / UDC 579.8:635.21:574.4:631.5
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТРОДУКЦИИ РИЗОСФЕРНЫХ БАКТЕРИЙ С ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ В АГРОЦЕНОЗЫ КАРТОФЕЛЯ
EFFECTIVENESS OF INTRODUCTION OF RHIZOSPHERE BACTERIA WITH POLYFUNCTIONAL PROPERTIES IN POTATO AGROCENOZES
Береговая Ю.В.*, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Beregovaya Yu.V., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor
Кротиков A.A., аспирант Krotikov A.A., Postgraduate Student ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia Шапкин B.M., инженер-исследователь Shapkin V.M., Engineer-researcher ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург, Россия All-Russia Research Institute of Agricultural Microbiology, Saint Petersburg, Russia
*E-mail: [email protected]
В решении проблемы повышения продуктивности картофеля важнейшая роль отводится воспроизводству адаптивных высокопродуктивных сортов и разработке новых технологических и биотехнологических приемов их возделывания. В условиях химической интенсификации сельского хозяйства, глобальных изменений климата и антропогенных воздействий на агроландшафты перспективно развивать экологически безопасные биотехнологии повышения урожайности и качества картофеля на основе активизации биологических функций и реализации потенциала растительно-микробных взаимодействий. Научные исследования выполнены в 2017 году при поддержке РНФ (проект № 17-76-10039). Целью исследований являлось изучение эффективности интродукции ризосферных бактерий различных таксономических групп (штаммы Pseudomonas fluorescens SPB2137, Sphingomonas sp. K1B, Arthrobacter mysorens 7) в агроценозы картофеля сорта Гала. Интродуцируемые ризосферные бактерии способствовали повышению устойчивости растений картофеля к фитофторозу и альтернариозу от 16 до 100%, и их эффективность варьировала в зависимости от возбудителя болезни. Интродукция ростстимулирующих ризосферных бактерий положительно повлияла на реализацию потенциала продуктивности сорта, которая в зависимости от биопрепарата повысилась на 2,7-8,8%, что было связано с улучшением потребления питательных элементов растениями. Применение биопрепаратов позволило существенно повысить товарные качества картофеля при снижении поражения кпубней фитопатогенами и насекомыми-вредителями в 1,5-4,8 раза и уменьшить нестандартную часть кпубней (фракция менее 35 мм) в урожае в 1,2-2,4 раза. Использование биопрепаратов также было эффективным с экономической точки зрения и позволило повысить рентабельность производства картофеля в 2,3-3,2 раза. При этом данный сорт был наиболее отзывчив на интродукцию перспективного штамма Sphingomonas sp. K1B. Ключевые слова: картофель, ризосферные бактерии, заболеваемость растений, минеральное питание, урожайность, товарное качество, экономическая эффективность, агроценоз.
To solve the problem of increasing potato productivity the reproduction of adaptive highly productive potato varieties and the development of new technological and biotechnological methods for its cultivation play the most important role. Under the conditions of chemical intensification of agriculture, global climate change and anthropogenic impacts on agro-landscapes it is promising to develop ecologically safe biotechnologies to increase the yield and quality of potatoes on the basis of activating biological functions and realizing the potential of plant-microbial interactions. Scientific research was carried out in 2017 with the support of the Russian Science Foundation (project No. 17-76-10039). The aim of the research was to study the effectiveness of introduction of rhizosphere bacteria of various taxonomic groups (strains Pseudomonas fluorescens SPB2137, Sphingomonas sp. K1B, Arthrobacter mysorens 7) into agrocenoses of potato of the Gala variety. The introduced rhizosphere bacteria contributed to an increase in the resistance of potato plants to late blight and alternaria from 16 to 100%, and their effectiveness varied depending on the causative agent of the disease. The introduction of growth stimulating rhizosphere bacteria positively influenced the realization of the productivity potential of the variety which depending on the biopreparation, increased by 2.7-8.8%. Such result was associated with the improvement in the consumption of plant nutrients. The use of biopreparations allowed to increase significantly the commercial quality of potatoes while reducing the damage of tubers by phytopathogens and insect pests in by 1.5 to 4.8 times and reducing the non-standard part of tubers (fraction less than 35 mm) in the yield by 1.2-2.4 times. The use of biopreparations was also effective from the economic point of view and allowed to increase increasing the profitability of potato production by 2.3-3.2 times. In this case this variety was the most responsive to the introduction of a promising strain of Sphingomonas sp. K1B. Key words: potato, rhizosphere bacteria, plant disease, mineral nutrition, productivity, commercial quality, economic efficiency, agrocenosis.
Введение. Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире и в России, при этом на долю России приходится около 18% мирового сбора картофеля при относительно невысокой средней урожайности 22 т/га. Причины недостаточной продуктивности картофеля, связаны с применением нерациональных технологий, низким качеством семенного материала и большими потерями урожая, вызванными болезнями и вредителями. В решении проблемы повышения продуктивности картофеля важнейшая роль отводится воспроизводству адаптивных высокопродуктивных сортов и разработке новых технологических и биотехнологических приемов их возделывания [1-3].
В условиях химической интенсификации сельского хозяйства, глобальных изменений климата и антропогенных воздействий на агроландшафты перспективно развивать экологически безопасные биотехнологии повышения урожайности и качества картофеля на основе активизации биологических функций и реализации потенциала растительно-микробных взаимодействий. Интродукция полезных микроорганизмов (в виде биопрепаратов) в ризосферу сельскохозяйственных культур, в том числе картофеля, является перспективным подходом для улучшения питания, повышения продуктивности растений, снижения отрицательного влияния стрессовых факторов окружающей среды и развития экологически безопасного устойчивого растениеводства [4-12].
Цель исследований - изучение биологической, хозяйственной и экономической эффективности интродукции различных групп ризосферных бактерий с полифункциональными свойствами в агроценозы картофеля.
Условия, материалы и методы. Производственный полевой опыт проведен в 2017 году в севообороте ООО «Максим Горький» Чернского района Тульской области в условиях орошения (под поливной круговой установкой
Valey) на участке 7 га с 4 повторностями на каждый вариант. Лабораторные исследования проводились с использованием оборудования ЦКП НО «Экологический и агрохимический мониторинг сельскохозяйственного производства и среды обитания» Орловского ГАУ, а также лаборатории ризосферной микрофлоры ФГБНУ ВНИИСХМ (Санкт-Петербург). Данные исследования выполнены при поддержке РНФ (проект № 17-76-10039).
Почва опытного участка - выщелоченный чернозем: pH солевой вытяжки -5,0; гумус - 4,9%; P2O5 - 14,7 мг/100г почвы; K2O - 10,4 мг/100 г почвы; азот нитратный - 5,05 мг/кг; азот аммонийный - 1,67 мг/кг; сумма поглощенных оснований - 12,3 ммоль/100 г; емкость поглощения - 19,3 ммоль/100 г; степень насыщенности основаниями - 63,7%; Нгидр - 7. Предшественник - лён.
Растительным объектом исследований являлся сорт картофеля Гала, районированный по 3 региону, селекции NORIKA GMBH.
Микробным объектом исследований были перспективные штаммы ростстимулирующих ризосферных бактерий различных таксономических групп из ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения (ФГБНУ ВНИИСХМ): Pseudomonas fluorescens SPB2137 (содержит АЦК дезаминазу, продуцирует ауксины, сидерофоры и антигрибные метаболиты, мобилизирует фосфаты) и Sphingomonas sp. K1B (гипер-продуцент ауксинов, мобилизирует фосфаты). Способность данных штаммов стимулировать рост, улучшать потребление питательных элементов и повышать устойчивость к абиотическим стрессам у растений была продемонстрирована в ряде исследований [7, 13]. В качестве положительного контроля использован биопрепарат Мизорин на основе штамма Arthrobacter mysorens 7 (ЭКОС, ФГБНУ ВНИИСХМ, Санкт-Петербург, https://ekosspb.ru/), являющийся высокоэффективным для повышения продуктивности картофеля [5].
Перед посадкой вносили жидкое азотное удобрение КАС-32 в дозе 160 л/га. Посадка производилась 1 мая сажалкой GL-38T с применением технологической колеи (Grimme, Германия), одновременным внесением минерального удобрения в рядки (аммофос 12:52 - 200 кг/га) и инокуляцией клубней.
Для инокуляции использовали бактериальные суспензии изучаемых перспективных штаммов (не менее 10Е9 клеток в 1 мл) и жидкий биопрепарат Мизорин согласно инструкции по применению Мизорина совместно с протравителями Престиж и Максим. В вариантах с использованием биопрепаратов дозы фунгицидов были снижены в два раза по сравнению с регламентом (Престиж - 1,5 л/га, Максим - 0,6 л/га). Контрольный вариант предусматривал отсутствие обработки клубней биопрепаратами и рекомендуемую дозу фунгицидов (Престиж - 3 л/га, Максим - 1,2 л/га). Семенной материал 2 репродукции, фракции 35-45 мм. Густота посадки -50 тыс. шт./га.
Обработка почвы и уход за растениями проводились в соответствии с требованиями зональной технологии.
Для учета заболеваемости картофеля фитофторозом и альтернариозом были осмотрены по 50 растений с каждой повторности в фазу цветения. Оценка проводилась по следующей шкале: (0 баллов - отсутствие болезни; 1 балл -поражено до 10% листьев; 2 балла - поражено от 11 до 25% листьев; 3 балла -поражено от 26 до 50% листьев - среднее поражение; 4 балла - поражено свыше 50% листьев).
Урожайность картофеля определяли путем взвешивания кпубней, убранных с каждой делянки двурядным комбайном SE150-60 (Grimme, Германия).
Содержание питательных элементов в водных вытяжках почвы и в листьях растений в фазу цветения выполняли на оптическом эмиссионном спектрометре параллельного действия с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 (SHIMADZU, Япония). Содержание общего азота в листьях растений определено на автоматическом анализаторе Kjelteck-AUTO (Tecator, Швеция). Содержание крахмала в клубнях картофеля определяли по ГОСТ 7194-81 с помощью поляриметра кругового СМ 3. Расчёт экономической эффективности производства картофеля выполнен на основе фактической технологической карты ООО «Максим Горький», исходя из фактического уровня цен на материально-технические ресурсы и сельскохозяйственную продукцию.
Результаты и обсуждение. Результаты производственного опыта показали, что интродуцируемые ризосферные бактерии способствовали снижению заболеваемости растений картофеля, и их эффективность варьировала в зависимости от возбудителя болезни (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние ризосферных бактерий на заболеваемость растений картофеля_
Варианты опыта Количество растений (стеблей, листьев, плодов) с различной интенсивностью поражения болезнями, шт.
0 баллов (здоровые) 1 балл 2 балла 3 балла 4 балла
Фитофтороз
1. Контроль 197 3 0 0 0
2. Sphingomonas sp. K1B 196 4 0 0 0
3. Ps. fluorescens SPB2137 200 0 0 0 0
4. Мизорин 197 3 0 0 0
Альтернариоз
1. Контроль 193 7 0 0 0
2. Sphingomonas sp. K1B 194 6 0 0 0
3. Ps. fluorescens SPB2137 191 9 0 0 0
4. Мизорин 196 4 0 0 0
Штамм Ps. fluorescens SPB2137 обеспечил абсолютную устойчивость растений к фитофторозу, т.е. не было обнаружено ни одного пораженного данным заболеванием растения, что, вероятно, сопряжено с синтезом антимикробных веществ и антистрессовым действием бактерий.
Мизорин был наиболее эффективным против альтернариоза, позволив уменьшить процент пораженных растений в 1,8 раза по сравнению с контролем. Биопрепарат на основе перспективного штамма Sphingomonas sp. ^ B также способствовал повышению устойчивости картофеля к альтернариозу на уровне 16%.
Интродукция ростстимулирующих ризосферных бактерий положительно повлияла на реализацию потенциала продуктивности сорта, которая в зависимости от биопрепарата повысилась на 2,7-8,8% по отношению к контрольному варианту (рис. 1).
%
57 56 55 54 53 52 51 50
Контроль Sphingomonas Ps. fluorescens Мизорин sp. K1B SPB2137
НСР05 = 2,88
Рисунок 1 - Влияние ризосферных бактерий на урожайность картофеля, т/га
Максимальный хозяйственный эффект обеспечил перспективный штамм БрЬ1пдотопаз вр. K1B, благодаря которому была получена достоверная прибавка урожайности, составившая 4,6 т/га.
Необходимо отметить, что данный штамм ризосферных бактерий обеспечил максимальную крахмалистость клубней, превосходя по данному показателю контрольный уровень на 2,1 % (рис. 2). Тогда как остальные биопрепараты не оказали положительного влияния на данный качественный показатель урожая картофеля. % 14 13 12 11 10 9 8
Контроль Sphingomonas sp. Ps. fluorescens Мизорин K1B SPB2137
Рисунок 2 - Влияние ризосферных бактерий на содержание крахмала в клубнях
картофеля, %
Вероятно, положительный хозяйственный эффект бактерий-интродуцентов связан с улучшением потребления питательных элементов растениями картофеля. Как показали наши экспериментальные данные, биопрепарат Мизорин способствовал повышению содержания N, Р, B и Mn в листьях. Штамм Sphingomonas sp. К1В повышал содержание в листьях N Р, К Ca, Mg, S, Мп и Zn. Штамм Ps. fluorescens SPB2137 повышал содержание N Р, Ca, Мд, Fe и Zn. Содержание нескольких питательных элементов в листьях коррелировало с содержанием этих элементов в ризосферной почве картофеля, а именно Р (г = +0,66; Р = 0,005), Ca (Г = +0,53; Р = 0,034), Mg (Г = +0,51; Р = 0,043), B (Г = +0,50; Р = 0,048), Fe (г = +0,78; Р<0,001) и Zn (г = +0,63; Р = 0,008). Это свидетельствует о том, что механизм действия бактерий на минеральное питание растений связан с их способностью мобилизовать питательные элементы в ризосфере.
Применение биопрепаратов позволило существенно повысить товарные качества картофеля. Так, оценка качества клубней перед закладкой на хранение показала, что ризосферные бактерии за счет фитостимулирующих и антифунгальных свойств способствовали меньшему их поражению фитопатогенами и насекомыми-вредителями (табл. 2).
Таблица 2 - Влияние ризосферных бактерий на качественные показатели клубней картофеля при закладке на хранение
го I % со % со н го
Варианты опыта с; ^ го _о 1 = го ш о О н -& о н ГО~ 3 го 1= I о £ о со Совка,0/ го б ^ I о |_
в о_ о н ^
1. Контроль 0,3 0,6 0,0 1,5 0,0 2,4
2. БрЬ1пдотопаБ Бр. К1В 0,0 0,0 0,0 0,7 0,7 1,4
3. Рб. ПиогеБсепБ SPB2137 0,0 0,0 0,0 0,4 0,1 0,5
4. Мизорин 0,6 0,4 0,0 0,0 0,6 1,6
Наиболее эффективным в плане товарности клубней был штамм Рб. АиогвБсепБ SPB2137, который способствовал снижению процента поврежденного картофеля в 4,8 раза по сравнению с контролем. На втором месте по эффективности был штамм ЭрЬ1пдотопаБ Бр. К1 B, благодаря которому количество поврежденного картофеля сократилось в 1,7 раза. Тогда как положительный эффект биопрепарата Мизорин был на уровне 50% относительно контроля. Вероятно, это сопряжено с повышением устойчивости растений к фитопатогенам при активном биосинтезе микроорганизмами, продуцирующими фитогормоны ауксины.
Использование ростстимулирующих свойств интродуцируемых ризосферных бактерий позволило уменьшить нестандартную часть клубней (фракция менее 35 мм) в урожае картофеля (рис. 3).
Контроль
Sphingomonas sp. К1В Ps. fluorescens SPB2137 Мизорин
Рисунок 3 - Нестандартная часть клубней (фракция менее 35 мм) в урожае картофеля в зависимости от биопрепаратов, %
Перспективный штамм Рв. Ниогевсепв SPB2137 был наиболее эффективным, что выражалось в уменьшении нестандартной части клубней в урожае картофеля в 2,4 раза. В то же время массовая доля стандартной фракции (45-55 мм) возросла по сравнению с контролем на 11,7%, а доля фракции размером более 55 мм - на 67,1%.
Штамм БрЬ1пдотопав вр. М B также оказывал стимулирующее действие на формирование клубней, представляющей наибольшую товарную ценность, снизив массовую долю нестандарта на 18,4% по сравнению с контролем. При этом в большей степени увеличилась доля фракции более 55 мм, превосходя контрольный уровень на 43,4%.
Использование биопрепаратов также было эффективным с экономической точки зрения и позволило повысить рентабельность производства в 2,3-3,2 раза по сравнению с контролем (табл. 3).
Таблица 3 - Экономическая эффективность возделывания картофеля по биологизированной технологии_
Показатели 1. Контроль 2. Бр^11пдотопав вр. М B 3. Рв. Ниогевсепв SPB2137 4. Мизорин
Товарные клубни, т/га 15,0 21,5 19,8 19,2
Нестандартные клубни, т/га 37,4 35,6 34,9 34,6
Себестоимость 1 т, тыс. руб. 3,93 3,60 3,75 3,81
Прибыль, тыс. руб./га 236,1 300,0 281,4 274,4
Рентабельность, % 14,6 46,3 37,3 33,8
Максимальный экономический эффект был получен в результате интродукции перспективного штамма ризосферных бактерий БрЬ1пдотопав вр. ^ B, который способствовал снижению себестоимости 1 тонны урожая на 9,2%, при этом прибыль от реализации продукции возросла на 27,1%. Данный экономический эффект обусловлен повышением урожайности на 8,8% и увеличением товарной части урожая в 1,4 раза. Вместе с тем, за счет эффективной интеграции растений картофеля с микроорганизмами удалось сократить дозу химических протравителей в 2 раза, что в денежном эквиваленте соответствует экономии 3120 руб./га.
Выводы. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что использование полифункциональных свойств ризосферных бактерий при возделывании картофеля Гала обеспечило положительный биологический, хозяйственный и экономический эффект, способствуя повышению устойчивости растений к фитопатогенам и вредителям, продуктивности и товарного качества клубней, рентабельности производства и снижению экологической нагрузки при сокращении применения ядохимикатов. При этом данный сорт был наиболее отзывчив на интродукцию перспективного штамма БрЬ1пдотопав вр. ^ B.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Росс X. Селекция картофеля. Проблемы и перспективы. М.: ВО «Агропромиздат», 1989. 183 с.
2. Картофель: Выращивание уборка, хранение / Д. Шпаар [и др.]. Под ред. Торжок: ООО «Вариант», 2004. 466 с.
3. Иванюк В.Г., Банадысев С.А., Журомский Г. К. Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков. Мн.: Белпринт, 2005. 696 с.
4. Bashan Y., Holguin G., De-Bashan L.E. Azospirillum-plant relationships: physiological, molecular, agricultural, and environmental advances (1997-2003) // Canadian Journal of Microbiology. 2004. № 50. P 521-577.
5. Кожемяков А.П., Чеботарь B.K. Биопрепараты для земледелия: В кн.: Биопрепараты в сельском хозяйстве. М.: Тип. Россельхозакадемии, 2005. С. 18-54.
6. Завалин А.А. Биопрепараты, удобрения и урожай. М.: Изд-во ВНИИА, 2005, 302 с.
7. Белимов А.А. Взаимодействия ассоциативных бактерий с растениями: роль биотических и абиотических факторов. Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2012. 228 с.
8. Повышение продуктивности зернобобовых культур при их взаимодействии с полезной ризосферной микрофлорой / Н.В. Парахин, С.Н. Петрова, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко // Земледелие. 2012. № 6. С. 26-28.
9. Кузмичева Ю.В., Петрова С.Н. Управление биологическим потенциалом агроценозов бобовых культур как фактор ресурсосбережения и устойчивости растениеводства // Зернобобовые и крупяные культуры. 2013. № 4(8). С. 43-48.
10. Эколого-стабилизирующая роль АЦК-утилизирующих ризобактерий в агроценозах сои / И.Л. Тычинская [и др.] // Вестник Орел ГАУ. 2017. № 4(67). С. 3-9.
11. Variety specific relationships between effects of rhizobacteria on root exudation, growth and nutrient uptake of soybean / Y.V. Kuzmicheva [et al.] // Plant and Soil. 2017. T. 419. № 1-2. P. 83-96.
12. Кротиков A.A., Береговая Ю.В., Шапкин B.M. Влияние биопрепаратов ризосферных бактерий и минеральных удобрений на урожайность и качество картофеля при закладке на хранение // Защита растений в условиях экологизации сельскохозяйственного производства: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. Орел, 2018. С. 187-192.
13. Rhizobacteria that produce auxins and contain ACC deaminase decrease amino acid concentrations in the rhizosphere and improve growth and yield of well-watered and water-limited potato (Solanum tuberosum) / A.A. Belimov [et al.] // Annals of Applied Biology. 2015. № 167. P. 11-25.
