CC BY
103
НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОРГАНАХ ФИКСАЦИИ АЗОТА - КОРНЕВЫХ КЛУБЕНЬКАХ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ СИМБИОЗА ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.) И КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ (РОДА RHIZOBIUM)
М. Ю. РЯБЦЕВА, аспирант,
Воронежский ГАУ
394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86 Тел. приемная проректора по научной работе +7 (4732) 55 27 27
Органы фиксации азота, горох посевной, бактерии, симбиоз.
Горох посевной (горох пищевой) Pisum sativum L. относится к семейству бобовых (Lequminosea, Fabacea), подсемейству мотыльковых (Papilionacea L). Одна из основных зернобобовых культур, имеющих продовольственное (зерно, крупа, мука), овощное, консервное и кормовое значение (зерно, зеленый корм, сено, силос, травяная мука, брикеты). Горох зарекомендовал себя как хороший предшественник озимых культур, не уступающий другим парозанимающим культурам. Горох оказывает заметное влияние на урожайность других культур при введении его в полевые севообороты [1].
Важным дополнительным источником азота является «биологический» азот, накапливаемый в почве бактериями, связывающими молекулярный азот воздуха. Можно сказать, что азот, получаемый почвой в результате жизнедеятельности азотфиксирующих микроорганизмов, является даровым азотом [2].
Горох улучшает структуру почвы, так как клубеньковые бактерии, образующиеся на его корнях, способны фиксировать азот из воздуха и накапливать его в почве. За период вегетации гороха в почве накапливается до 100 кг азота, что соответствует 12-16 т навоза. Азотфиксирующей способностью бобовые обладают благодаря клубеньковым бактериям, которые живут с ними в симбиозе [3].
Клубеньковые бактерии представляют грамотрицательные, от коротких до среднего размера палочки (0,5-0,9 мкм шириной, 1-3 мкм длиной), подвижные, аэробы. Для большинства культур клубеньковых бактерий оптимальное значение рН среды находится в пределах рН 6,5-7,5, а при рН 4,5-5 и рН 8 их рост приостанавливается. Оптимальная температура для большинства культур - около 24-26°С, при температуре ниже 5°С и выше 37°С их рост прекращается. Специфические органы фиксации азота - корневые (реже стеблевые) клубеньки - образуются в результате взаимодействия бобовых растений с бактериями родов Rhizobium, Bradrhizobium, Azorhizobium [4]. Механизмы инфекции резобиями растений-хозяев варьируют, но наиболее распространенным способом яв-
ляется проникновение их в корень через корневые волоски [5].
Проникая в клетки корневого волоска, бактерии создают в них характерные образования, так называемые инфекционные нити - тяжи, которые представляют бактерии, заключенные в выделенную ими слизь. Проникновению бактерий в корневые волоски всегда предшествует характерное закручивание их [6].
Клетки клубеньковых бактерий, перешедшие в цитоплазму растительных клеток, растут, делятся, а затем трансформируются в своеобразные образования - бактероиды. Этим заканчивается процесс инфицирования приблизительно через 3-4 недели после заражения [5].
Бактероиды в 3-5 раз больше по размерам, чем обычные клетки. Бактероиды не делятся, они составляют до 50 % массы клубенька. Клубеньковые бактерии в клетках растения располагаются в вакуолях, окруженных перибактероидной мембраной - производным плазмалеммы растительной клетки. Бактероиды содержат больше поли-в-гидроксимасляной кислоты, гликогена и полифосфатов, чем обычные клетки клубеньковых бактерий, но меньше ДНК. Фактически бактероиды становятся азотфиксирующими орга-неллами клеток бобового растения хозяина. Поэтому их называют азотосо-мами. Этот симбиоз является внутриклеточным. Ткань клубенька, заполненная бактероидами, обычно приобретает красноватую окраску благодаря пигменту леггемоглобину, родственному гемоглобину. Обычно такая окраска характерна для клубеньков, хорошо фиксирующих азот. Легге-моглобин - один из важнейших продуктов симбиоза, в его образовании участвуют оба партнера - растение и
бактерии, простетическая группа (про-тогем) синтезируется бактериями, а белковый компонент (апогемоглобин) образуется при участии растения. Клу-
Рисунок 1
Клетки Rhizobium (швермеры) со жгутиками на поверхности инфицированного корневого волоска бобового растения (по [Dant, Mercer]) по [Мишустин, Шильникова, 1968]
беньки, образовавшиеся при инфицировании неактивными клубеньковыми бактериями, содержат мало леггемог-лобина и имеют зеленоватый цвет. Клубеньки, образованные активными штаммами, окрашены в розовый цвет. Кроме того, клубеньки неодинаково распределены по корневой системе растений. Активные расы клубеньковых бактерий образуют многочисленные клубеньки на главном корне, а на боковых их бывает мало. По мере старения и дегенерации клубеньки отмирают. Лизис бактероидов по окончании активной жизни клубеньков обычно совпадает с некрозом клубеньков, наступающим после цветения растения-хозяина. Бактерии, сохранившиеся в неразвившихся инфекционных нитях, выходят в почву, где могут довольно долго (от одного до 20 лет) существовать в отсутствие растения-хозяина. У однолетних растений клубеньки также однолетние, у многолетних клубеньки могут функционировать в течение нескольких лет.
Клубеньки на корнях бобовых растений: 1 — клевера, 2 — сои, 3 — люцерны, 4 — люпина, 5 — вики, 6 — клубеньковые бактерии под микроскопом по Е. Ф. _____________________________________________________________Березовая (1960)
Таблица 1
Метеорологические показатели по метеоданным НИИ Сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова, Рамонь, Воронежская область
Месяц Средняя температура воздуха,°С Температура почвы, °С Количество осадков, мм. Относительная влажность, %
Минимальная (min) На глубине 5 см. На глубине 10 см.
2007г.
январь 0 -18 0 6 64.9 92
февраль - 4,1 -16 -5 1 87,6 86
март 4.9 -5 5 22 17,1 87
апрель 8,6 -5 9 27 12,2 66
май 19,2 0 17,7 16,4 24,5 59
июнь 22.1 10,1 25,2 24,3 100,9 66
июль 21,4 10 24,2 23,4 85,3 62
август 24,0 8,7 27,3 26,5 34,3 57
сентябрь 15,2 5 16 30 65,2 75
октябрь 9,3 -3 9 22 18,7 79
ноябрь -1,5 -13 -2 10 88,8 89
декабрь - 4,1 -16 -5 1 87,6 86
2008г
январь -7,9 -31 -9 2 100,3 86
февраль -1,6 -19 -3 4 75,8 87
март 4,2 -4 4 18 24,2 87
апрель 12,6 0 11,7 11,0 31,5 67
май 15,6 2 16,9 16,1 55 67
июнь 20,1 1 23,7 23,0 23,3 62
июль 23,5 10 24,6 24,4 78,8 65
август 23,8 6 25,0 24,9 10,4 58
сентябрь 14,4 0 15 43 55,6 75
октябрь 10,2 -1 10 25 13,4 81
ноябрь 2,7 -7 2 12 67,8 83
декабрь -6,3 -21 -8 0 88 87
Таблица 2
Число клубеньковых бактерий на горохе посевном в фазу цветения (Агрофирма «Луч», с. Орлово Новоусманского района Воронежской области)
Дата проведения полевого эксперимента Высота растения, см. Количество листьев, шт. Количество междоузлий Число клубеньков на стержневом корне, шт./рас. в 0 & ^ ^ я § Si 1 5 ° ° ^ 1т1 3 ю й t Число клубеньков на растении, шт./рас. Масса клубеньков на растении, мг
Сорт гороха - Таловец 70
15июня 2007г 51 26 14 9 7 16 30
14 июня 2008 г. 60,8 32 18 14 7 21 45
Сорт гороха - Фокор
15 июня 2007 г 40 25 15 2 5 7 20
14 июня 2008г 47 28 17 9 9 18 40
К концу сезона бактероидная ткань клубеньков многолетних растений разрушается, но клубеньки не отмирают, а на следующий год начинают функционировать. Фиксация азота атмосферы осуществляется только в бактероидах, и около 90 % связанного азота переходит из них в виде ионов аммония в цитоплазму корня бобового растения. Передача связанного азота из тканей клубенька в наземную часть растения происходит в период, когда бактероиды жизнеспособны. Определенное количество усвоенного растениями азота выделяется корнями в почву с продуктами корневых выделений, например, с аминокислотами (аспарагиновой кислотой) [5].
Количество клубеньков у бобовых растений всегда бывает более или менее ограниченным. Это обстоятельство хорошо объясняет Натман [Nutman, 1949]. Он считает, что клубеньки возникают лишь в тех участках, где происходит активное образование меристемы, т. е. в точках возможного роста боковых корней. У видов бобовых растений, развивающихся в короткий период, способность к образованию клубеньков более ограниченна, чем у видов с длительным периодом роста [6] .
Исследования клубеньков проводились на разных сортах гороха посевного (Pisum sativum) на полях агрофирмы «Луч» (с. Орлово, Новоусманский район Воронежской области), а также на селекционных участках НИИ сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова (Рамонь, Воронежская область). Полевой эксперимент осуществлялся по методикам Б. А. Доспехова (1979), Ф. А. Юдина (1980) и Моисейченко (1996). Клубеньки изучались в течение двух лет. Отбор растительных проб проводился в утренние часы после спада росы до наступления жары (с 7 до 11 часов) методом прохода по диагонали с отбором точечных проб через равное расстояние [7].
Определялись количество и масса клубеньков гороха посевного разных сортов и делались соответствующие выводы, выяснялась зависимость клубеньковых бактерий разных сортов гороха посевного от условий произрастания. Особенность полевого опыта состоит в том, что культурное растение изучается в совокупности почвенных, климатических и агротехнических факторов. Зависимость роста клубеньков гороха посевного от климатических условий произрастания можно установить только в полевой обстановке [8].
Орлово возникло в 1646 г. как сторожевая крепость на Белгородской защитной черте. Оно находится в пределах Новоусманского района Воронеж-
Bodies of fixing of nitrogen, peas of a sowing campaign, bacterium, symbiosis.
ской области [9]. Агрофирма «Луч» расположена в с. Орлово Новоусманского района Воронежской области. В 2007 и 2008 гг. было засеяно 941 га горохом посевным двух сортов: Таловец 70 и Фокор; как предшественника озимой пшеницы, горох посевной выращива-
ют на семена. Тип почвы - чернозем типичный. Через протравитель семян растения гороха посевного обрабатывают ризоторфином (штаммы клубеньковых бактерий). При посеве вносят азотно-фосфорно-калийные удобрения в соотношении 8:8:8. Кислотность по-
Таблица 3
Число клубеньковых бактерий на горохе посевном в фазу цветения (Всероссийский НИИ сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова, Рамонь,
Воронежская область)
Сорт гороха посевного Высота растения, см. Количество листьев на растении, шт. Количество междоузлий на стебле Число клубеньков на стержневом корне, шт./рас. Число клубеньков на боковых корнях, шт./рас. Число клубеньков на растении, шт./рас. Масса клубеньков на растении, мг.
Дата проведения исследования - 18.06.2007 г.
Зенит 39 15 13 0 2 2 -
Рамбел 35 31 13 5 3 8 -
Таловец 50 68 40 14 5 14 19 33
Дата п роведения исследования 18.06.2008 г.
Зенит 44 16 13 10 27 37 60
Рамбел 51 43 19 1 7 8 -
Таловец 50 75 36 10 13 27 40 78
чвы (рН почвы) - 5,6-6 (среднекислая).
Рамонь - поселок городского типа в Воронежской области, центр Рамон-ского района, в 60 км к северу от Воронежа. Расположен на реке Воронеж (приток Дона ) у одноименной ж/д станции [10].
Рамонская опытно-селекционная станция основана в 1922 г. и расположена в южной части лесостепи на водораздельной стрелке рек Дон и Воронежа. Горох сеется в четырехпольном севообороте: озимая пшеница - овес - пропашные (сахарная свекла, кукуруза. подсолнечник) - горох. Площадь, занятая под посевами гороха, - 18 га. Тип почвы - чернозем типичный. В данной статье приведены результаты исследований клубеньков 3-х сортов гороха посевного: Зенит, Рамбел и Тало-вец 50. Сорт гороха Рамбел -детерминантный сорт; заканчивается плодоносящим узлом, районирован в 2004 г., сорт короткостебельный, среднеспелый, разновидность - вульгара детерминантная, средняя устойчивость к болезням и растрескиванию бобов; цвет зерна - розовый. Зенит выведен в НИИ сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова, в лаборатории селекции гороха, авторами К. В. Амелиной и Л. И. Земенковой. Сорт усатый, короткостебельный, среднеспелый, районирован в 2007 г., среднеустойчивый к болезням, разновидность - вульгара усатая, цвет зерна розовый. Таловец 50 - сорт Докучаев-ской селекции, высокостебельный, среднеспелый, устойчивый к болезням, окраска семян - зеленая.
Анализируя данные таблиц 1 и 2, можно сделать следующие выводы:
1. Количество и масса клубеньков, сформировавшихся на корневой системе гороха посевного в засушливый период (15 июня 2007 г.), меньше числа и массы клубеньков, образовавшихся в более увлажненный год (14 июня 2008 г). Эта разница наиболее заметна по растениям гороха посевного сорта Фокор: 7 шт./рас. в 2007 г и 18 шт./ рас. в 2008 г.; соответственно, вмес-
те с количеством клубеньков увеличилась и их масса в 2 раза;
2. Число и масса клубеньков на растениях гороха посевного сорта Тало-вец 70 также напрямую зависят от температуры и влажности воздуха и почвы, количества выпавших за вегетационный период осадков. В достаточно увлажненный период средние количество и масса клубеньков на растении гороха сорта Таловец 70 преобладают над числом и массой клубеньков в засушливый год (соответственно, 21 шт./рас. - 45 мг. в 2008 г. и 16 шт./рас. -30 мг. в 2007 г.);
3. Симбиотическая активность гороха посевного и клубеньковых бактерий зависит от влажности почвы [11]. В условиях засушливого климата и при резком снижении влажности почвы с 20 до 12,5 % происходит массовое отмирание клубеньков у гороха посевного, поэтому полив почв в засушливой зоне создает благоприятные условия для образования клубеньков и эффективной симбиотической фиксации атмосферного азота [12].
Из таблицы 3 с учетом данных таблицы 2 вытекают следующие выводы:
1. Среднее число и масса клубеньков на растении гороха посевного сор-
та Зенит в 2007 г. составляло 2 шт./ рас., а в 2008 г. - 37 шт./рас. (33мг). Также в значительной степени увеличились количество и масса клубеньков на растении гороха посевного сорта Таловец 50 (с 19 шт./рас - 33 мг в 2007 г. до 40 шт./рас. - 78 мг в 2008 г.). Количество клубеньков на растении гороха сорта Рамбел осталось неизменным;
2. В период сева и в первые 10-15 дней после сева (в фазу ветвления гороха посевного) большое значение имеет условия увлажнения: в сухой почве клубеньковые бактерии быс тро отмирают и клубеньки не образуются. В апреле 2007 г. в фазу ветвления гороха посевного выпало всего 12,2 мм осадков, а в апреле 2008 г. - 31,5 мм -этим объясняется значительно меньшее количество клубеньков на корнях гороха посевного в 2007 г. по сравнению с 2008 г.;
3. В 2007 г. минимальная температура почвы за вегетационный период гороха посевного (апрель-начала августа) достигала -5 °С, что могло способствовать снижению и прекращению роста теплолюбивых клубеньковых бактерий.
Литература
1. Медведев П. Ф., Сметанникова А. И. Кормовые растения европейской части СССР. Справочник. Л.: Колос, 1981. С. 78-80.
2. Сидоров М. И. Плодородие и обработка почвы Воронеж: Центр-Чернозем. кн. изд-во, 1981. С. 3-10.
3. Тютюнников А. И., Фадеев В. М. Повышения качества кормового белка. М.: Россельхозиздат, 1984. С. 89-93.
4. Доросинский Л. М. Роль клубеньковых бактерий в азотном питании бобовых растений и первоочередные задачи повышения эффективности нитрогинизации. Изв. АН ССР: Серия биология. 1962. №5. С. 364-501.
5. Емцев В. Т., Мишустин Е. Н. Микробиология. Учебник для вузов. Изд. 5-е. М.: Дрофа, 2005. С. 219-224.
6. Мишустин Е. Н., Шильникова. Биологическая фиксация азота атмосферы. М.: Наука, 1968. С. 64-65, 90-91.
7. Юдин В. Е. Организация и обеспечение контроля качества растениеводческой продукции (учебное пособие). М.: РосНИИкадры, 1998. С. 13-14.
8. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). Изд. 4-е. М.: Колос, 1979. С. 17.
9. Мильков Ф. Н. Подворонежье. Воронеж: изд-во ВГУ, 1973. С.185-186.
10. Ильинский Н. В. Рамонь. Воронеж: Центр.-Чернозем. кн. изд-во, 1984. С. 5-9.
11. Мишустин Е. Н. Микроорганизмы и плодородие почвы. М.: Академия наук СССР, 1956. С. 27.
12. Вавилов П. П., Посыпанов Г. С. Бобовые культуры и проблема растительного белка. М.: Россельхозиздат, 1983. С.65-68.
