CC BY
43
3160
к
F 140
'А
120
100
80
60
40
20
—♦— газ -солнце
N \ Ь
ф У \
у г і N V
\
р
'Г X \ к
ч
янв фев март апр май июнь мюль авг сент окт нояб дек
Месяцы
Рис. 6. Сравнение затрат на отопление и энергии солнечного излучения с января по декабрь 2008 года.
На рисунке 6 показаны зависимости энергии газа, затраченной на отопление и хозяйственные расходы (приготовление пищи, мытьё посуды, стирка и др.) дома (сплошная кривая) и солнечной энергии, падающей на вертикально ориентированные стены здания (пунктирная кривая) в г. Орле в течение 2008 года.
Выводы
В результате проведенных исследований установлено, что предложенные методы и средства определения интенсивности солнечного излучения обладают высокой информативностью, что позволяет существенно повысить достоверность полученных данных.
Очевидно, что при рациональном использовании потенциала солнечного излучения на широте г. Орла возможно существенное уменьшение затрат углеводородов на отопление жилых и промышленных зданий. Так, например, расчеты показывают, что длительность отопительного периода может быть уменьшена с семи до четырех месяцев.
Дальнейшие исследования в рассматриваемом направлении будут связаны с созданием технических устройств, с помощью которых мы предполагаем существенно снизить затраты нергии на отопление за счет использования потенциала нергии солнечного излучения.
УДК 633.31/.37:632.937.15
Н.В. Парахин, академик РАСХН, вице-президент Российской академии сельскохозяйственных наук Ю.В. Моисеенко, аспирант С.Н. Петрова, кандидат сельскохозяйственных наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРЕПАРАТА АССОЦИАТИВНЫХ БАКТЕРИЙ С
СОРТАМИ Glycine max. L.
Рассмотрено действие препарата ассоциативных бактерий на сортах Glycine max. L. и дана оценка эффективности его применения.
Ключевые слова: Glycine max. L., ассоциативныге бактерии, симбиотический препарат, биологическая эффективность.
Для сельского хозяйства актуальными были и остаются вопросы энергосбережения, повышения продуктивности, качества и устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. С этих позиций важно вспомнить о микробиологических ресурсах почвы. Ризосфера и ризоплана растений представляют собой уникальную кологическую нишу, где происходят сложные и
Action of a preparation of associative bacteria on grades Glycine max. L. is considered. Also estimation of efficiency of its application is given.
Key words: Glycine max. L., associative bacteria, symbiotic preparation, biological efficiency.
многообразные растительно-микробные
взаимодействия. Микроорганизмы не просто способствуют росту и развитию растений, но являются для них донорами широкого круга адаптивно значимых функций, позволяющих в полной мере реализовать биологический потенциал (Проворов, Тихонович, 2003; Пиневич, 2007).
Следует помнить, что э ффективность растительномикробных ассоциаций может носить как положительный, так и отрицательный характер, который, в свою очередь, является следствием взаимодействия целого ряда факторов: вид растения, его физиологическое состояние, генотип микроорганизма, его конкурентоспособность, тип почвы, влажность, кислотность, а рация и др. (Schippers,1992; Чеботарь и др., 2007).
Наиболее широко известными колонизаторами корней бобовых растений являются ризобии, вступающие с ними в симбиоз. Однако существует и ряд других полезных ризосферных микроорганизмов, также являющихся э ндофитами. Это бактерии рода Pseudomonas, Azospirillum, Bacillus и др., объединенные в группу почвенных микроорганизмов PGPR (plant growth-promoting rhizobacteria), на основе которых создан отечественный микробиологический препарат Экстрасол, являющийся разработкой Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии. Взаимодействие псевдомонад и бацилл, входящих в состав данного биопрепарата, наиболее подробно изучено с растениями семейства злаковые и в гораздо меньшей степени с бобовыми.
Принимая во внимание общепризнанное мнение о том, что в формировании специфических условий ризосферы главную роль все же играет растение (Тихонович, Проворов, 1998, 2003), нами была
оценена возможность создания высоко ффективной растительно-микробной системы на основе взаимодействия консорциума ассоциативных бактерий ( кстрасол) с различными сортами сои.
Материалы и методика исследований
Исследования проводились в 2007-2008 гг. на базе Орел ГАУ совместно с ГНУ ВНИИЗБК на опытном поле лаборатории селекции гороха и фасоли при поддержке российского фонда фундаментальных исследований (Грант РФФИ офи-ц 08-04-13565).
Объектом исследований служили два районированных сорта сои Ланцетная и Свапа.
Опытный материал был выращен в полевом селекционном севообороте, площадь делянки составила 10 м2, повторность 4-х кратная, способ посева - рядовой. Размещение делянок систематическое со смещением.
Почва опытного участка темно-серая лесная среднесуглинистая, подстилаемые лессовидным суглинком, средней окультуренности (среднее содержание гумуса 5,1%, подвижного фосфора - 23,3, обменного калия - 9,7 мг/100 г почвы, рНсол - 5,3, гидролитическая кислотность - 4,4 мг э кв/100 г почвы). Предшественник - ячмень. Микрорельеф участка выровненный.
В опытах изучалась э ффективность взаимодействия микробного консорциума препарата Экстрасол с сортами сои. Экстрасол представляет собой чистую культуру ассоциативных бактерий (Artrobacter mycorens 7, Flavobacterium sp. L. - 30, Agrobacterium radiobacter 204, Agrobacterium
radiobacter 10, Bacillus subtilis 4-13, Pseudomonas fluorescens 2137, Azospirillum lipoferum 137). Инокуляцию семян биопрепаратом проводили из расчета 2 л/т.
Период вегетации 2007 года в целом характеризовался пониженным количеством осадков и высокими температурами воздуха, тогда как в 2008 году отмечались периоды, когда количество выпавших осадков превышало среднемноголетнее значение в 3 раза (июль).
Согласно методике Г.С. Посыпанова (1993), осуществляли учет надземной и корневой фитомассы. Нитрогеназную активность определяли ацетиленовым методом (4ундерова А.И., 1980) в модификации
В.П. Орлова (1984) и А.С. Шаина (1990). Изучение фотосинтетических возможностей сортов проводили методом регистрации индукции флуоресценции хлорофилла у интактных растений с использованием портативной системы измерения флуоресценции хлорофилла Mini-PAM по Bilger &Schreiber (1995), а площадь ассимиляционной поверхности листьев - с помощью фотопланиметра Li-3000c. Содержание белка в семенах сои определяли с помощью анализатора зерна Infratec™ 1241 по оригинальной методике (Foss). Полученные данные статистически обработаны по Б.А. Доспехову (1985) на персональном компьютере.
Результаты и их обсуждение
Поскольку соя является бобовым растением и способна вступать в симбиотические отношения с бактериями рода ризобиум, образуя на корнях клубеньки, то учет ее модулирующей способности в ответ на интродукцию в ризосферу PGPR будет служить важным показателем биологической э ффективности Экстрасола.
Изучение симбиотической деятельности сои показало, что во все годы исследований сорта изначально различались как по динамике формирования, так и по величине симбиотического аппарата. Так, у сорта Свапа максимальное количество и масса активных клубеньков в контроле сформировалось к фазе цветения, а у сорта Ланцетная к данному периоду их число снизилось, по сравнению с фазой бутонизации на 20%. Причем характер кривых, отражающих изменение нодуляции корней в онтогенезе, при интродукции в ризосферу PGPR у сорта Ланцетная практически не изменился, тогда как у сорта Свапа пик симбиотической активности стал проявляться раньше - в фазу бутонизации (рис. 1).
Этому явлению есть вполне логичное объяснение: ассоциативные бактерии в ризосфере продуцируют определенные активаторы и регуляторы роста, восполняют дефицит важных биологически активных веществ у растения, влияя тем самым на кссудацию. Корневые выделения, в свою очередь, стимулируют хемотаксис Rhizobium (Архипова, 2001; 4еботарь, 2007; Timmusk et al., 1999;Bai et al., 2003; Lugtenberg et al., 1999).
25
20
г 15 н а
и 10
Ч
5 -
Свапа
Ланцетная
♦
¿г
л#"
&
■ контроль
•г
300 250 -200 : 150
I
100 50 Н 0
Свапа
■ экстрасол
Ланцетная
а)
//
у
<?
контроль
«si4
■ экстрасол
б)
Рис. 1. Клубенькообразующая способность сортов Glycine max. в зависимости от использования микробного препарата кстрасол, среднее 2007-2008 гг.: а) количество активных клубеньков, млн. шт/га;
б) масса активных клубеньков, кг/га.
2008
2007
0 10 20 30 40 50
□ Свапа П Ланцетная
а) количество клубеньков
%
t
2008
2007
0 10 20 30 40 50
%
б) масса клубеньков
Рис. 2. Изменение симбиотических признаков сортов сои от применения микробного препарата кстрасол, прибавка к контролю %.
В наших опытах также подтверждается стимулирующее влияние ассоциативных
микроорганизмов, входящих в состав препарата Экстрасол, на показатели симбиотической
деятельности растений сои. Причем степень того влияния зависела от сорта. Масса и количество клубеньков на корнях сорта Свапа возрастало в среднем по годам на 45 и 50%, а у Ланцетной - на 22 и 25% соответственно (рис. 2). Такие резкие
межсортовые различия по способности к симбиозу у самоопыляющихся видов являются нормой (Тихонович, 1998) и зависят не просто от генотипа растений (Triplett, 1992), но и от его географического происхождения (Edye et al., 1974).
Формирование мощного симбиотического аппарата, которым в наших опытах отличался сорт Свапа, не всегда говорит о его активности. Данные, полученные нами методом газовой хромотографии, свидетельствуют о том, что наиболее активно фиксировали азот воздуха растения сорта Ланцетная, который по величине симбиотического аппарата в 2 раза уступал сорту Свапа. Существенный рост массы и количества клубеньков, вызванный интродукцией PGPR у данного сорта не только не активизировал работу нитрогеназного комплекса, но и существенно снизил ее (рис.3). В тоже время активность симбиотической азотфиксации сорта Ланцетная при использовании микробного препарата Экстрасол повышалась на 12%.
Вероятно, пониженная нитрогеназная активность сорта Свапа связана с перерасходом нергии на образование и функционирование избытка клубеньков (Проворов, 2003).
6
К
Ü
5-
4-
3-
2-
1-
0-
W'
Свапа Ланцетная
□ контроль □ экстрасол
Рис. 3. Нитрогеназная активность сортов сои, среднее за 2007-2008 гг. (НСР05=0,3).
Наиболее интенсивно фиксация молекулярного азота происходит в случае сопряжения с процессом фотосинтеза и может определять его уровень (Sharma et al., 1982; Hartwig, 1997; Тихонович, 1998;
Посыпанов, 1993; Парахин, 2006 и др.).
Изучение фотосинтетической деятельности посевов сои показало, что в норме сорта практически не отличаются как по величине площади листьев, так и по их функциональной активности. Однако при использовании в опытах микробного препарата ассоциативных бактерий проявляется межсортовая изменчивость по данным признакам (табл. 1, рис. 4). Так, наиболее существенные изменения ассимиляционной поверхности листьев коснулись сорта Ланцетная, у которого площадь листьев в среднем за годы исследований возрастала на 22%.
0
При том функциональная активность первичных реакций фотосинтеза оставалась на стационарном уровне. Напротив, сорт Свапа отвечал на колонизацию корней PGPR повышением эффективности работы фотосистемы II (ФС II) листьев, где ко ффициент фотохимического тушения и квантовый выход увеличивались на 18% без изменения линейных параметров листьев. Отсюда следует, что сорт Ланцетная, обладающий меньшими величинами qP и Yield ФС II, компенсировал недостаточную фотосинтетическую активность за счет увеличения площади листьев. Похожие выводы сделал Махон с соавторами (Machon, Hobbs, 1981, 1982), которые проводили исследование линий гороха, различавшихся по скорости фиксации С02.
Т аблица 1 - Площадь листьев сортовых посевов сои, тыс. м2/га
0,46
0,44-
и и 0,42-
и S- о 0,4-
я £ 0,38-
0,36-
0,34-
□ контроль □экстрасол
Свапа
Ланцетная
а)
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,9-1
0,8
0,7-
Свапа
Ланцетная
б)
0,6
Свапа
Ланцетная
□ контроль Шэкстрасол
в)
Рис. 4. Функциональная активность ФС II листьев сои при использовании микробного препарата э кстрасол, среднее 2007-2008 гг.: а) квантовый выход ФС II (Yield); б) коэ ффициент фотохимического тушения (qP); в) коэ ффициент нефотохимического тушения - (qN).
Вариант Свапа Ланцетная
2007 2008 среднее 2007 2008 среднее
Контроль 20,6 24,2 22,4 20,9 22,4 21,6
Экстрасол 23,1 26,0 24,5 23,5 31,2 26,3
+ к контролю, % 9,3 22
НСР05 3,14 7,9 0,33 7,0
Таким образом, биологическая ффективность препарата Экстрасол на сортах сои проявилась по-разному, в большей степени стимулируя у сорта Свапа величину симбиотического аппарата и активность первичных реакций фотосинтеза, тогда как сорт Ланцетная отзывался повышением нитрогеназной активности и площади листьев.
Такие физиологические изменения в растениях, вызванные инокуляцией ассоциативными бактериями, повлияли на урожайность и содержание белка в семенах сои (табл. 2).
Т аблица 2 - Хозяйственная э ффективность препарата Экстрасол с сортами сои
Вариант Свапа Ланцетная
урожайность семян, т/га урожайность семян, т/га прибавка, %
2007 2008 2007 2008 2007 2008
Контроль 4,06 3,82 4,62 3,50
Экстрасол 3,99 3,53 4,78 3,91 3,42 11,66
НСР05 0,64 0,28 0,37 0,87
Во все годы исследований, дополнительный сбор семян на уровне 3-12% был получен лишь у сорта Ланцетная, средняя урожайность которой в варианте с инокуляцией семян Экстрасолом составила 4,34 т/га и была обусловлена ростом площади листьев и нитрогеназной активности растений.
Повышение урожайности семян сорта Свапа в опытном варианте зарегистрировано не было, несмотря на существенное увеличение размеров и величины симбиотического аппарата, которое, в свою очередь, оказало положительное влияние на белковость семян. Однако данный ффект был получен только в 2007 году (табл. 3), что можно объяснить повышением э ффективности биопрепарата в более засушливых условиях. Например, Белимов (1994, 2008) в своей работе с ассоциативными бактериями указывает на их способность легко адаптироваться к различным условиям и поддерживать численность популяции относительно стабильной и активной. Возможно также, что при дефиците влаги в ризосфере ослабевали конкурентные и антагонистические взаимодействия между интродуцируемыми штаммами и аборигенной микрофлорой, а внесение большого количества клеток интродуцента при инокуляции позволяло ему успешно конкурировать с аборигенными микробами, колонизирующая способность которых была снижена недостатком влаги.
Т аблица 3 - Содержание белка в семенах сортов сои при использовании препарата экстрасол, % АСВ
Вариант Свапа Ланцетная
2007 2008 среднее по годам 2007 2008 среднее по годам
Контроль 40,5 42,1 41,3 40,1 42,3 41,2
Экстрасол 44,2 42,2 43,2 42,9 41,8 42,3
прибавка, % 9,1 - 7,0 -
НСРо5 0,44 0,3 0,29 0,41
В посевах сорта Ланцетная в условиях 2007 года э ффективность препарата Экстрасол, как и у сорта Свапа, в большей степени проявилась на увеличении качества семян, тогда как в условиях оптимального увлажнения 2008 года качество семян у обоих сортов не изменилось.
Таким образом, результаты наших исследований показали наибольшую э ффективность использования препарата ассоциативных бактерий в посевах сои сорта Ланцетная, у которой отмечалось как улучшение общего физиологического состояния растений, так и увеличение урожайности и качества семян. При этом предварительные расчеты кономической ффективности показали получение 16% прибыли от использования данного препарата.
Литература
1. Архипова, Т. Н. Возможное участие цитокининов в рострегулирующем действии бактерий рода Bacillus/ Т. Н. Архипова, А. И. Мелентьев, С. Ю. Веселов // Материалы научн. конф., 24-26 окт. 2001 г. - Уфа, 2001. Т. 1. - С. 12-13.
2. Белимов А.А. Взаимодействие ассоциативных бактерий и растений в зависимости от биотических и абиотических факторов: автореф. дис. ... доктора биол. наук/ А. А. Белимов. - Санкт-Петербург, 2008. -46 с.
3. Белимов, А. А. Приживаемость и ффективность корневых диазотрофов при
инокуляции ячменя в зависимости от температуры и влажности почвы/ А. А. Белимов, С. М. Поставская, О. Ф. Хамова, А. П. Кожемяков, А. М. Кунакова, Е. В. Груздева // Микробиология. - 1994. Т. 63. - С. 900-908.
4. Парахин, Н. В. Сельскохозяйственные аспекты симбиотической азотфисаци / Н. В. Парахин,
С. Н. Петрова - М.: КолосС, 2006. - 158 с.
5. Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: Учебник. В 3 т. Том 1/ А. В. Пиневич. -СПб.: Изд-во С.-Пб. ун-та, 2007 - 331 с.
6. Посыпанов, Г. С. Биологический азот.
Проблемы экологии и растительного белка/
Г. С. Посыпанов. - М.: Изд-во МСХА, 1993. - 272 с.
7. Проворов, Н. А. Эколого-генетические
принципы селекции растений на повышение
ффективности взаимодействия с микроорганизмами/ Н. А. Проворов, И. А. Тихонович //
Сельскохозяйственная биология, 2003. - №3. - С .1123.
8. Тихонович, И. А. Генетика симбиотической азотфисации с основами селекции / И. А. Тихонович, Н. А. Проворов - СПб.: Наука, 1998. - 194 с.
9. Чеботарь, В.К. Эффективность применения биопрепарата Экстрасол / В. К. Чеботарь, А. А. Завалин, Е. И. Кипрушкина - Москва, 2007. -222 с.
10. Шаин, А.С. Оценка и создание нового исходного материала клевера лугового с повышенной белковой продуктивностью и азотфиксирующей способностью: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук/
A. С. Шаин. - М., 1990.
11. Bai, Y. Enhanced soybean plant growth resulting from coinoculation of Bacillus strains with Bradyrhizobium japonicum/ Y. Bai, X. Zhou, D. S. Smith // Crop Sci., 2003.Vol.43. P.1774-1781.
12. Bilger, W. Determination of the quantum efficiency of photosystem II and of nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence in the field/ W. Bilger, U. Schreiber, M.Bock. Oecologia 1995;102:425-32.Timmusk et al., 1999;
13. Edye, L.A. The symbiotic effectiveness and geographic origin of morphological-agronomic groups of Stylosanthes/ L. A. Edye, R. L. Burt, D. O. Norris // Austral. J. Exp. Agr. Anim. Husb. 1974. Vol. 14. P. 349357.
14. Hartwig, U.A. Is the variable oxygen permeability in nodules a phisical or physiological phenomenon? / U.A. Hartwig, J. Trommler, C. Weisbach// Biological Fixation of Nitrogen for Ecology and Sustainable Agriculture. B erlin; Heidelberg, 1997. P.241-244.
15. Lugtenberg, B.J. Tomato seed and root exudates organic acids: composition, utilization by Pseudomonas biocontrol strains and role in rhizosphere colonization/
B. J. Lugtenberg, M. Simons, L. V. Kravchenko// Environ. Microbiol., 1999. Vol.1. P.9-13.Triplett, 1992.
16. Machon, J.D. Field evalution of growth and nitrogen fixation in peas selected for high and low photosynthetic CO2 exchange/ J. D. Machon// Can. J. Plant Sci. 1982. Vol. 62. P. 5-17.
17. Schippers, B. Prospects for management of natural suppressiveness to control soilborne pathogens // In: Biological control of plant diseases, progress and challenges for the future. NATO ASI Series A:Life Sciences. Tjamos E.C., Papavizas G.C., Cook R.J. (eds.). Plenum Press, New York, 1992. Vol.230. P.21-34.
18. Sharma, P.K. Studies on relationship between chlorophyll content and nitrogen fixation in lentil (Lens esculenta L.) nodulated by different strains of Rhizobium leguminosarum/ P. K. Sharma, V. P. S. Chahal, R. B. Rewari // Indian J. Microbiol. 1982. Vol. 22. P.291-292.
19. T immu sk, S. Cytokinin production by Paenibacillus polymyxa/ S. Timmusk, B. Nicander, U. Granhall, E. Tillberg// Soil. Biol. Biochem., 1999. Vol.31. P.847-1852. 258.
20. Triplett, E.W. Diazothrophic endophytes: prospects for nitrogen fixation in monocots/ E. W. Triplett // Plant and Soil, 1996. Vol.186. P.29-38.
