CC BY
87
УДК 63S.6S:S76.8S1:631 .S3.027:631 .S2
Повышение эффективности биологической азотфиксации зернобобовых культур
Т.е. НАУМКИНА, доктор сельскохозяйственных наук А.Г. ВАеИЛЬЧИКОВ, Г.П. ГУРЬЕВ, кандидаты биологических наук М.В. БАРБАШОВ,
м.в. донекАя, м.м. донекой,
Т.Н. ГРОМОВА
Всероссийский НИИ зернобобовых и крупяных культур E-mail: office@vniizbk. orel. ru
Приведены результаты работ по повышению эффективности симбиотичес-кой азотфиксации зернобобовых культур в условиях Орловской области
Ключевые слова: симбиоз, азотфик-сация, инокуляция, зернобобовые культуры, горох, фасоль, соя, нут.
Экологически устойчивое земледелие невозможно без мобилизации природных ресурсов агрофитоцено-зов, из которых важнейшими являются растительно-микробные взаимодействия [1]. Во ВНИИЗБК изучается широкий круг проблем, связанных с почвенной микробиологией, в частности, с повышением эффективности нитрагинизации, селекцией новых штаммов ризобий и комплементарной селекцией макро- и микросимбионтов.
Нитрагинизация - важный и обязательный агротехнический прием при выращивании зернобобовых культур, особенно редко возделываемых или впервые вводимых в культуру: соя, фасоль, люпин (особенно желтый и белый), нут. Эффектив-
ность этого приема зависит от ботанического вида растений, комплемен-тарности штамма, титра соответствующих ризобий в почве, качества препарата, техники внесения, условий питания, аэрации, водного режима, кислотности почвы и т.д.
В тех случаях, когда бобовые культуры интродуцируются в новые районы возделывания, в почве, как правило, отсутствуют клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с данным видом растений. В таких случаях инокуляция семян приводит к существенному увеличению урожая [2]. После нескольких лет возделывания бобовой культуры, независимо от того, проводилась на первоначальном этапе инокуляция или нет, в почве формируются многочисленные популяции клубеньковых бактерий, после чего инокуляция дает лишь небольшое увеличение количества клубеньков, и прибавка урожая от этого приема наблюдается далеко не всегда [3]. Это хорошо видно на примере такой новой для Орловской области культуры, как соя (табл. 1, 2). Возделывание ее началось в 90-х годах XX в., поэтому клубеньковые бактерии сои в местных почвах, как правило, отсутствовали.
Оценка изолятов ризобий селекции нашего института для инокуляции сои проведена в полевом опыте в 20022004 гг. (табл. 1).
Погодные условия значительно варьировали по годам. Вегетационный период 2002 г. характеризовался повышенной температурой и де-
фицитом влаги. В 2003 г., наоборот, количество осадков превышало среднемноголетний уровень. Условия 2004 г. были близки к средне-многолетним. Контраст водно-температурных режимов в годы проведения опытов позволил более полно оценить эффективность инокуляции сои, а также влияние климатических факторов на процесс симби-отической азотфиксации. Особенно наглядно это проявилось при сравнении показателей параметров сим-биотической азотфиксации в 2002 и 2003 гг. Количество клубеньков, сформированных в вариантах с инокуляцией семян, колебалось в пределах 20-3S шт. на растение при практически полном отсутствии клубеньков на контроле. В 2004 г. было отмечено увеличение количества клубеньков на контроле, что можно объяснить распространением ризо-бий в почве опытного участка при проведении почвенных обработок и формированием популяции ризобий на основе внесенных штаммов. Активность нитрогеназы в 2002 г., при недостатке влаги, была ниже чем в 2003 г.
Первые два года урожай на контроле был практически одинаковым, и при отсутствии симбиотической азотфиксации лимитировался уровнем доступного растениям азота почвы. Урожай при инокуляции в первый год не отличался от контроля (0,94-1,18 т/га), а в 2003 г. прибавка от инокуляции составила более 100 %, что обусловлено, в первую очередь, благоприятным условиями для симбиотической азотфиксации.
Результаты опыта по оценке перспективных штаммов из коллекции ВНИИСХ микробиологии, проведенного в 2009-2011 гг. (табл. 2), показывают, что в почве опытного участка за прошедший период времени сформировалась многочисленная
I. Влияние инокуляции семян изолятами ризобий селекции ВНИИЗБК на формирование клубеньков,
активность нитрогеназы (АН) и продуктивность сои
Вариант 2002 г. 2003 г. 2004 г.
инокуляции I 2 3 1 2 3 1 2 3
Контроль (без 0,6 0,6 11,4 1,9 71,0 10,0 6,4 45,4 15,6
обработки семян) Штамм 634 22,8 16,7 9,9 35,2 485 21,1 34,4 74,4 16,5
Изолят15 21,0 29,5 11,8 23,2 431 18,1 22,1 132 17,3
Изолят16 20,0 23,2 11,0 28,2 422 21,4 18,6 92,0 18,3
Изолят 28 20,0 22,3 11,5 30,4 454 22,3 30,8 164 17,9
Изолят 29 31,2 33,2 10,0 30,9 327 21,0 23,1 133 17,9
Изолят 30 30,0 39,4 9,9 33,3 391 21,1 31,2 157 18,0
В среднем за год 20,8 23,6 10,8 26,2 369 19,3 23,8 114 17,4
НСР0,5 1,2 2,1 1,6
Примечание. I - количество клубеньков, шт/растение, 2 - АН, мкг 1\12/раст.-ч, 3 - урожайность сои, ц/га.
u ф 2
ä
ф
Ь Ф ä
s
ф
Z
IO
Ol P
о
Oäöiieiäee.p65 21 01.03.2015, 11:13
2. Влияние инокуляции на формирование клубеньков, активность нитрогеназы (АН) и продуктивность сои (2009-2011 гг.)
Вариант Количество клубеньков АН, Урожайность,
инокуляции на растение мкг Nj/раст.-ч Ц/га
Контроль (без 26 97 23,9
обработки семян)
No 20 81 26,3
Штамм 634 47 204 25,9
Штамм 626 33 128 24,4
Штамм 645 40 150 25,9
Штамм 634+N60 24 92 26,0
В среднем по сорту 32 125 25,4
популяция ризобий, обладающих высоким уровнем активности, поэтому величина прибавок от этого аг-роприема снизилась до 7 %.
Что касается типичных для средней полосы культур - гороха, чечевицы, кормовых бобов, взаимодействующих к тому же с одним и тем же видом ризобий, то при систематическом их возделывании в севообороте инокуляция дает прибавку урожая далеко не всегда. В частности, при возделывании гороха на полях ВНИИЗБК инокуляция как обязательный прием зачастую успеха не имела, а азотоусвоение в полевых условиях проходило в короткий временной период. Анализ данных по испытанию штаммов ризобий для инокуляции семян гороха в Геосети опытов за 30-летний период показал, что в условиях высокой спонтанной инокуляции производственные штаммы редко оказывают положительный эффект.
Повысить уровень симбиотичес-кой азотфиксации зернобобовых можно за счет комплементарной селекции макро- и микросимбионта. Была предпринята попытка поиска доноров макросимбионта по признаку редукции ацетилена 1Х2(С2Н2), числу и массе клубеньков. В полевых опытах во ВНИИЗБК было оценено более 120 сортообразцов гороха, IS0 - вики посевной, по S0 - фасоли и кормовых бобов, сои, нута и чины. Выявлены генотипы, сочетающие высокую продуктивность с повышенной способностью к симбиотической азотфиксации (вика посевная Юбилейная 110, фасоль Рубин, Гелиада, Капатйо, соя Свапа и Зуша).
12 В нашем институте ведется рабо-8 та по селекции штаммов ризобий. ш Выделено и испытано в вегетацион-г ных и полевых опытах более 600 ш штаммов для гороха и люпина. В кол-| лекцию ВНИИ сельскохозяйственной ч микробиологии переданы перспек-с- тивный штамм для гороха, два штам-§ ма для белого люпина [4] и два эф-п
22
фективных штамма для фасоли, которые депонированы под номерами 2634 и 263S. Штамм [^^¡¡гоЫит Iедиттовагит Ьу. мсеае, обладающий нулевой азотфиксацией и высокой конкурентной способностью, был депонирован в коллекции ВНИИСХМ под номером 107S и рекомендован для оценки конкурентоспособности активных изолятов и новых штаммов на горохе, вике и чечевице на ранних стадиях селекции [Ъ]. Этот штамм проявляет высокую инфицирующую активность и образует на корнях растений многочисленные мелкие светло-зеленые неактивные клубеньки. При смешанной инокуляции равными титрами штамма 107S и испытуемого штамма происходит конкурентная борьба за места инфицирования корневой системы. Слабоконкурентные штаммы образуют мало или вовсе не образуют клубеньков, в результате чего растения на безазотной среде испытывают азотное голодание и формируют небольшую светло-зеленую вегетативную массу. Конкурентоспособные штаммы благодаря большему количеству активных клубеньков обеспечивают азотное питание и хорошее развитие растений с нормальной темно-зеленой окраской листьев и стеблей. Конкурентную способность оценивают по внешнему виду растений, соотношению величин вегетативной массы, активности нитрогеназы, накоплению азота или по соотношению клубеньков, образованных испытуемым изолятом или штаммом. Однако достигаемые конкурентные преимущества носят слишком частный характер: они проявляются только в отношении конкретных штаммов и почвенных условий
Существование высокой специфичности заражения клубеньковыми бактериями у гороха привело к возникновению идеи о возможности повышения эффективности симби-отической азотфиксации культуры путем параллельной селекции мак-
ро- и микросимбионта. Известно, что сортообразцы гороха афганского происхождения обычно не заражаются большинством коммерческих западно-европейских и североамериканских штаммов ризобий. Устойчивость к заражению у них наследуется как рецессивный признак и определяется локусом sym2. Ген, позволяющий штаммам ризобий преодолевать устойчивость линий гороха афганского происхождения к заражению, получил название nodX. Во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (Санкт-Петербург) был выделен штамм A-I, который эффективно заражает афганские линии гороха и не подавляется при совместной инокуляции с высококонкурентными штаммами в почве. Нами была создана серия изогенных линий гороха (Норд sym2sym2, Битюг sym2sym2, Демон sym^ym^) и сорт Юниор, способные формировать высокую семенную продуктивность (5,8-7,7 г/растение), используя потенциал двухстороннего симбиоза.
Наряду с бобово-ризобиальным симбиозом бобовые растения в процессе эволюции приобрели способность формировать арбускулярную микоризу с грибами отдела Glome-romycota, что позволяет улучшать водный статус растений, снабжать их необходимыми элементами минерального питания (труднодоступным фосфором и азотом), повышать устойчивость к поражению болезнями. Было установлено, что из 40 регуля-торных генов гороха, детерминирующих симбиоз с клубеньковыми бактериями, 8 участвует в контроле развития и функционирования арбуску-лярной микоризы, а взаимодействие растений с микоризными грибами и клубеньковыми бактериями рассматривается как тройная симбиотичес-кая система.
Дальнейшая работа с горохом была направлена на разработку технологий максимального использования возобновляемых источников питания растений путем создания взаимовыгодных растительно-микробных систем, основанных на интеграции генетических систем различных групп организмов - растений, грибов арбускулярной микоризы, клубеньковых и других полезных бактерий, ассоциированных с растением. Осуществлен скрининг генофонда гороха по эффективности взаимодействия с Rhizobium legumino-sarum bv. viciae и микоризными грибами Glomus sp. Модельные системы на основе выделенных генотипов ис-
Oao¡íeíaéé.p65 22 01.03.2015, 11:13
пользуются в международной кооперации научных исследований в области селекции гороха, а также при изучении взаимодействия растений и микроорганизмов.
На основе полученных результатов была теоретически обоснована возможность селекции растений на повышение эффективности данного взаимодействия. Разработаны методические рекомендации по селекции гороха на повышение сим-биотической азотфиксации [6].
Создан и передан на Государственное сортоиспытание новый сорт зернового гороха Триумф с повышенным симбиотическим потенциалом (нитрогеназная активность - 15,7 мкг N2/ раст.ч, число клубеньков на корнях растений - 122 шт.) и высокой урожайностью (4,92-6,23 т/га).
Совместно с учеными ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии нами разработаны способы производства и применения принципиально нового комплексного микробного удобрения БисолбиМикс (патент РФ № 2318784), содержащего штаммы ризобий, грибов Glomussp. и полезных ризосферных микроорганизмов PGPR. Применение КМУ оптимизирует питание растений макро-и микроэлементами, повышает качество и конкурентоспособность продукции.
Изучение тройного симбиоза ведется в настоящее время на фасоли, и таких новых для Орловской области культурах, как нут и чина. На фасоли изучена реакция семи сорто-образцов на инокуляцию ризобиями на основе штамма 653 и изолятами грибов арбускулярной микоризы (Glomus intraradices, Glomus fasci-culatum). Положительная достоверная реакция на заражение арбуску-лярной микоризой в сочетании с обработкой семян ризоторфином наблюдалась на сортах Услада, Гелиа-да и сортообразце польского происхождения Kanamito. Выделена перспективная селекционная линия 2-10 (Kanamito х Рубин), отзывчивая на одновременную инокуляцию клубеньковыми бактериями и грибами арбускулярной микоризы [7].
В результате проведенной оценки перспективных сортообразцов нута, пригодных для возделывания в Орловской области, был выделен сортообразец к-1488, характеризующийся высокой продуктивностью и отзывчивостью на инокуляцию [8].
Таким образом, симбиотическая азотфиксация бобовых культур играет одну из ведущих ролей в интен-
сификации земледелия на основе биологических факторов.
Литература
1. Кокорина А.Л., Кожемяков А.П. Бо-бово-ризобиальный симбиоз и применение микробиологических препаратов комплексного действия - важный резерв повышения продуктивности пашни. -СПб., 2010. - 50 с.
2. Новикова А.Т. О симбиозе сои с клубеньковыми бактериями//Бюллетень ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, 1981. - № 34. - С. 18-22.
3. Новикова А.Т., Тильба В.А., Бегун С.А., Лупашку З.А., Енкина О.В., Варда-ния К.Х. Распространение клубеньковых бактерий сои в различных почвах страны и эффективность нитрагинизации сои/Научно-технический бюллетень. Соя и нитрагин. - Новосибирск, 1976. -Вып.1. - С. 3-18.
4. Васильчиков А.Г. Селекция высокоэффективных штаммов клубеньковых бактерий для инокуляции люпина белого/ Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. -Ленинград, 1991. - 15 с.
5. Орлова И.Ф., Фесенко А.Н., Орлов В.П. Оценка конкурентной способности Rhizobium leguminosarum (Pisum sativum 1-.)//Доклады ВАСХНИЛ, 1991. - № 11.
- С. 27-32.
6. Повышение эффективности симбиоза гороха: Метод. рекоменд. - М., 2008.
- 24 с.
7. Барбашов М.В. Оценка исходного материала фасоли обыкновенной (Pha-seolus vulgaris L.) для создания высокоэффективных растительно-микробных систем/Автореф. дисс. ... канд. с.-х. наук.
- Орел, 2012. - 21 с.
8. Лобков, В.Т., Донская М.В., Васильчиков А.Г. Повышение эффективности симбиотических систем нута (Cicer ari-etinum L.V/Вестник ОрелГАУ, 2011. -№ 3. - С. 39-43.
Increase of biologic nitrogen-fixation' efficiency for legume cultures
T.S. Naumkina, A.G. Vasilchikov, G.P. Guriev, M.V. Barbashov, M.V. Donskaya, M.M. Donskoy, T.N. Gromova
There are given the foundings on efficiency' increase of symbiotic nitrogen-fixation of legume cultures in the conditions of Orel region. Keywords: symbiosis, nitrogen-fixation, inoculation, legume cultures, bean, haricot, soya, chick-pea of legume cultures.
Памяти А.Д. Задорина
23 мая на 78-м году жизни скончался видный ученый, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАСХН, профессор Александр Дмитриевич Задорин.
Трудовую и научную деятельность Александр Дмитриевич начинал в Восточно-Казахстанской области, где после окончания института работал на производсте, в научно-исследовательских учреждениях, МСХ Казахской ССР. С 1988 до 2002 гг. он возглавлял ВНИИЗБК, а в дальнейшем работал главным научным сотрудником лаборатории агротех-нологий и защиты растений. Успехи, достигнутые в этот сложный период, позволили институту получить высокий статус Государственного научного центра РФ. В период руководства А.Д. Задорина в институте создано и передано на государственное испытание 60 новых сортов зернобобовых и крупяных культур, 50 из которых районированы.
Авторитетный ученый, опубликовавший в нашей стране и за рубежом более 300 научных трудов, имеющий патенты на изобретения, неутомимый труженик, А.Д. Задорин до последних дней жизни был верен любимому делу. Он был удостоен почетного звания «Заслуженный агроном Казахской ССР», награжден орденами Трудового Красного Знамени, Ленина, медалями. Это был человек разносторонний, глубоко порядочный, готовый отстаивать интересы российской науки. Таким он и останется в памяти тех, кто его знал.
Всероссийский НИИ зернобобовых
и крупяных культур
U ф
s
s
ф
s
ф
s
s
ф
N> О
Oâôiîëîâèè.p65 23 01.03.2015,11:13
