CC BY
78
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2018, том 53, № 5, с. 977-993
Агросистемы будущего Растение и почва
УДК 633.34:579.64:631.847.211:631.811 doi: 10.15389^гоЫок«у.2018.5.977гш
СОРТОВАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ ЭФФЕКТОВ РИЗОБАКТЕРИЙ В ОТНОШЕНИИ АЗОТФИКСИРУЮЩЕГО СИМБИОЗА И МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ СОИ В УСЛОВИЯХ АГРОЦЕНОЗА*
Ю.В. БЕРЕГОВАЯ1, И.Л. ТЫЧИНСКАЯ1, С.Н. ПЕТРОВА1, [Н.В. ПАРАХИН1, Я.В. ПУХАЛЬСКИЙ2, Н.М. МАКАРОВА2, А.И. ШАПОШНИКОВ2,
А.А. БЕЛИМОВ2
Для бобовых растений важным механизмом взаимодействия с ризобактериями служит их способность стимулировать формирование азотфиксирующего симбиоза с клубеньковыми бактериями. В то же время мало известно о внутривидовой (сортовой) изменчивости бобовых растений в реакциях на инокуляцию ризобактериями. Наши недавние модельные исследования с проростками сои на гидропонике показали способность ризобактерии Pseudomonas oryzihabitans Ep4, продуцирующей ауксины и содержащей АЦК дезаминазу, активнее стимулировать рост и колонизировать корни у сортов Красивая Меча и Свапа, чем у сорта Бара. Целью настоящей работы было изучение сортоспецифичных ответных реакций растений сои Glycine max (L.) Merr. на инокуляцию ризосферными бактериями при различном минеральном питании в условиях агроце-ноза. Исследования выполняли на трех раннеспелых районированных сортах сои северных эко-типов — Красивая Меча, Свапа и Бара. Использовали штаммы ризобактерий Ps. oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4. Для образования азотфиксирующего симбиоза применяли биопрепарат ризоторфин, содержащий клубеньковую бактерию Bradyrhizobium japonicum 634b. Полевые опыты проводили в 2013-2015 годах (НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н) на темно-серой лесной среднесуглинистой почве. Минеральное удобрение вносили в виде диамофоски за 7 сут до посева. Сравнивали два фона минерального питания: N30P81K81 и N44P116K116. Во всех вариантах с применением ризоторфина масса клубеньков и их число повышались, за исключением варианта с инокуляцией сорта Бара на фоне N30P81K81. В фазу цветения на низком фоне минерального питания при использовании ризоторфина инокуляция Ps. oryzihabitans Ep4 приводила к увеличению числа (на 140 %) и массы (на 176 %) клубеньков, а также азотфиксирующей активности (на 69 %) у сорта Свапа. На высоком фоне минерального питания влияние Ps. oryzihabitans Ep4 на бобово-ризобиальный симбиоз проявилось в повышении числа клубеньков у сорта Свапа (на 55 %) и азотфиксирующей активности у сорта Бара (на 205 %), а штамм V. paradoxus 3-P4 повысил азотфиксацию у сортов Красивая Меча (на 231 %) и Бара (на 205 %). В фазу цветения на фоне N30P81K81 надземная масса у растений сортов Красивая Меча и Свапа увеличивалась как при использовании монокультур ризобактерий, так и при комбинировании штаммов с ризоторфином. Однако сорт Бара положительно отреагировал только на моноинокуляцию ризоторфином. На фоне N44P116K116 совместная инокуляция сорта Бара ризоторфином и Ps. oryzihabitans Ep4, а также сорта Красивая Меча ризоторфином и V. paradoxus 3-P4 оказалась достоверно эффективнее (соответственно p = 0,015 и p = 0,039), чем моноинокуляция ризоторфином. Как правило, положительное действие обоих штаммов ризобактерий на рост растений в фазу цветения, а также на содержание питательных элементов (Mg, Ca, B, Fe, Zn и Mo) в листьях в большей степени проявлялось на сортах Красивая Меча и Свапа на низком и/или высоком фонах минерального питания. Максимальное влияние ризобактерий на урожай семян и показатели его качества (содержание белка и жира) также получены при инокуляции сортов Красивая Меча и Свапа. Сорт Бара характеризовался более высокой отзывчивостью на минеральные удобрения. Обнаруженные различия между сортами сои в реакциях на инокуляцию ризобактериями свидетельствуют о более высокой степени интеграции сортов Красивая Меча и Свапа с ассоциативными микроорганизмами по сравнению с сортом Бара. Результаты исследований указывают на перспективность создания растительно-микробных систем, сочетающих высокую симбиотрофность и активную ассимиляцию питательных элементов из удобрений и почвы.
Ключевые слова: Glycine max, Pseudomonas, Variovorax, внутривидовая изменчивость, минеральное питание, ризосфера, симбиотическая азотфиксация, фитогормоны, агроценоз.
* Работа выполнена при поддержке РНФ (подготовка и проверка чистоты бактериальных инокулюмов и биопрепаратов — грант № 16-16-00080; постановка полевых опытов — грант № 14-16-00137; элементный анализ растений — грант № 17-76-10039) и РФФИ (изучение образования клубеньков и азотфиксации — грант № 15-04-09023). Депонирование штаммов выполнено в рамках Программы ФАНО России по развитию и инвентаризации биоресурсных коллекций научными организациями.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал о положительном действии ассоциативных ризосферных бактерий (ризобактерий) на рост, питание и адаптацию сельскохозяйственных растений к неблагоприятным климатическим и почвенным факторам с помощью фиксации атмосферного азота, продукции или утилизации биологически активных веществ, мобилизации питательных элементов в ризосфере, индукции системной устойчивости и биоконтроля фитопатогенов (1-5). Для бобовых растений важным механизмом взаимодействия с ризобактериями служит их способность стимулировать формирование азотфиксирующего симбиоза с клубеньковыми бактериями (6-8). Так, число клубеньков на корнях сои увеличивается при совместной инокуляции клубеньковыми бактериями Bradyrhizobium japonicum и ризобактериями Pseudomonas fluorescens (911), Azospirillum brasilense (12), Bacillus subtilis (13-17), B. thuringiensis (13, 14, 18), B. megaterium (19), Paenibacillus lautus (19), а также неидентифицирован-ными фосфатмобилизующими бактериями (20). Действие ризобактерий может быть связано со снижением биосинтеза стрессового фитогормона этилена (к которому очень чувствительно клубенькообразование) за счет утилизации ризобактериями его предшественника 1-аминоциклопропан-1-карбокси-лата (АЦК) с помощью фермента АЦК дезаминазы (19, 21-23). Предполагается, что продукция ризобактериями ауксинов, стимулирующих рост корней и клубенькообразование, вовлечена в активацию азотфиксирующего симбиоза (4, 8, 24). Однако в большинстве перечисленных работ механизмы положительного действия ризобактерий на симбиоз сои с ризобиями не изучали.
Так же мало известно о внутривидовой (сортовой) изменчивости бобовых растений в реакциях на инокуляцию ризобактериями. У четырех сортов гороха Показаны значительные различия эффектов Ps. brassicacearum Am3 при поглощении питательных веществ (N, P, K, Ca, S, Fe) из загрязненной тяжелыми металлами почвы (25). Влияние ризобактерии Az.. brasilense, которая фиксирует азот и продуцирует ауксины, на рост сорго (26), пшеницы (27) и фасоли (28) существенно варьировало в зависимости от сорта. Похожие результаты получены для близкого к ней вида Az. lipoferum в опытах с сортами кукурузы (29). Выявлена сортовая специфичность в эффектах ризобактерий на бобово-ризобиальный симбиоз у сои (15, 30), гороха (31-32) и нута (33). Различия в экспрессии генов, связанных с сигналин-гом ауксинов и этилена, описаны у двух сортов риса при инокуляции Az. li-poferum (34). Варьирование способности интродуцируемых популяций ризо-бактерий колонизировать корни растений в зависимости от сорта описано и в других работах (27, 35). Однако причины внутривидовой изменчивости взаимодействий растений и ризобактерий пока не изучены, что существенно сдерживает применение последних в качестве биопрепаратов (36).
Основная бобовая культура в России — соя. Ее рост и питание в значительной степени зависят от симбиоза с клубеньковыми бактериями и ризобактериями. Для расширения ареала этой культуры нужны сорта, устойчивые к низким температурам и адаптированные к бедным почвам. Для самого северного района возделывания сои в России — Орловской области созданы раннеспелые сорта северных экотипов Красивая Меча, Свапа и Бара. Однако об их симбиотических особенностях и потенциале известно мало. Можно предположить, что ризобактерии, продуцирующие ауксины и содержащие АЦК дезаминазу, должны способствовать лучшей адаптации растений к неблагоприятным для сои почвенно-климатическим условиям.
Ранее в модельных опытах с проростками сои на гидропонике мы показали, что ризобактерия Ps. oryzihabitans Ep4, продуцирующая ауксины и содержащая АЦК дезаминазу, активнее стимулирует рост и колонизирует
корни у сортов Красивая Меча и Свапа, чем у сорта Бара. Это связано с интенсивной корневой экссудацией органических кислот, сахаров и аминокислот и их эффективной утилизацией и трансформацией ризобактериями (32). Тесную интеграцию штамма Ps. oryzihabitans Ep4 с сортами Красивая Меча и Свапа частично подтвердили результаты полевого опыта при совместной инокуляции растений клубеньковыми бактериями (37).
В этом сообщении мы впервые описываем положительное влияние ризосферных бактерий, содержащих АЦК дезаминазу, на разные сорта сои северных экотипов и их симбиоз с клубеньковыми бактериями.
Цель работы — выявление зависимости сортоспецифичных ответных реакций растений сои от штамма ризобактерий и минерального питания в условиях агроценоза.
Методика. Семена суперэлиты раннеспелых районированных сортов сои Glycine max (L.) Merr. Красивая Меча и Свапа получены во Всероссийском НИИ бобовых и крупяных культур (г. Орел,), сорта Бара — в ООО «Соевый комплекс» (г. Краснодар).
При инокуляции использовали штаммы ассоциативных бактерий, содержащих АЦК дезаминазу и продуцирующих ауксины: Pseudomonas oryzihabitans Ep4 (38) и Variovorax paradoxus 3-P4 (39). Для приготовления инокулюма ассоциативные бактерии культивировали в разработанной ранее жидкой питательной среде (40) в течение 4 сут при 28 °С и 180 об/мин. Полученную суспензию разбавляли стерильной водопроводной водой до конечной концентрации 107 кл/мл. Для образования азотфиксирующего симбиоза использовали биопрепарат ризоторфин («ЭКОС», г. Санкт-Петербург), содержащий клубеньковую бактерию Bradyrhizobium japonicum 634b в стерилизованном торфе в качестве носителя (109 кл/г торфа). Чистоту инокулюмов и биопрепарата проверяли микробиологическими методами. Все штаммы были депонированы в Ведомственную коллекцию полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения (Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии, г. Санкт-Петербург).
Почва участков, на которых проводили полевые опыты (НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы), темно-серая лесная среднесуглинистая, содержание гумуса — 3,4±0,1 %, подвижного азота — 57±8 мг /кг, подвижного фосфора — 100±8 мг/кг, подвижного калия — 136±9 мг/кг, рН 5,0±0,06 (средние данные за 3 года). Почвенные характеристики определяли стандартными методами (41).
Растения выращивали в семипольном севообороте зернового типа с полной рендомизацией делянок (площадь делянки 10 м2) в 4-кратной по-вторности для каждого варианта, предшественник — черный пар. Минеральное удобрение (диаммофоска) вносили за 7 сут до посева в дозах N30P81K81 и N44P116K116 (соответственно 70 и 100 % из расчета на планируемый урожай 3 т/га). Непосредственно перед посевом семена протравливали фунгицидом Максим КС (флудиоксонил, 2 мл/кг семян; ООО «Син-гента», Россия) в рабочей концентрации (изучаемые штаммы, по данным предварительных экспериментов, к ней устойчивы), часть семян обработали ризоторфином (штамм B. japonicum 634b, 2 г/кг семян). Норма высева для всех семян — 70 шт/м2 (селекционная сеялка Plotseed XL, «Wintersteiger», Австрия). Инокулюм Ps. oryzihabitans Ep4 и V. paradoxus 3-P4 (200 мл/м2) вносили прикорневой обработкой на 10-е и 27-е сут после посева (соответственно в фазы проростков и 2-3 настоящих листьев), контроль — варианты без инокуляции (для оценки эффектов ризобактерий по интегральным параметрам при коинокуляции контролем служил вариант с ризоторфином). Во всех вариантах перед посевом применяли почвенный препарат Дуал
Голд, КЭ (1,6 л/га; ООО «Сингента», Россия), в фазу 3 настоящих листьев — Базагран, ВР (2 л/га; ООО «БАСФ», Россия). Для борьбы с вредителями использовали инсектицид Карате Зеон, МКС (0,4 л/га; ООО «Сингента», Россия). За 2 нед до уборки проводили десикацию препаратом Реглон Супер, ВР (1,5 л/га; ООО «Сингента», Россия). Семена собирали объединителем TERRION-SAMPO SR2010 («Агротехмаш», Россия).
В фазу цветения оценивали нитрогеназную (азотфиксирующую) активность на корнях ацетиленовым методом (42). Для этого у 5 растений с каждой делянки корни промывали водопроводной водой, подсчитывали число клубеньков, помещали корни в герметичные флаконы (250 мл) и инкубировали в атмосфере 10 % ацетилена 1 ч при 25 °C. Реакцию останавливали раствором формалина (2,5 %), содержание этилена определяли на газовом хроматографе ФГХ-1 (ООО НПП «ЭКАН», Россия). Затем клубеньки отделяли от корней, высушивали и взвешивали. Листья растений с каждого участка высушивали и использовали для элементного анализа.
В семенах измеряли содержание белка и жира, используя инфракрасный анализатор зерна Infratec™ 1241 («FOSS», Дания) в соответствии с инструкциями производителя. Количество B, Ca, Co, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Mo, Ni, P, S, Zn в листьях оценивали на эмиссионном спектрометре ICPE-9000 («Shimadzu», Япония). Для этого сухие листья измельчали и сжигали в смеси концентрированной HNO3 и 38 % H2O2 (1:1) при 70 °C (система DigiBlock, «LabTech», Италия). Общий азот в листьях определяли на автоматическом анализаторе Kjeltec 2300 («FOSS Analytical», Дания).
Статистическую обработку данных проводили в программе STATIS-TICA 10 («StatSoft, Inc.», США). Использовали дисперсионный анализ (тест наименьшей средней разницы Фишера), ¿-критерий Стьюдента и корреляционный анализ. Рассчитывали средние (М) и ошибки средних (±SEM).
Результаты. При применении ризоторфина в варианте с N30P81K81 число клубеньков увеличивалось по сравнению с контролем у всех сортов, с N44P116K116 — у сортов Красивая Меча и Свапа (табл. 1). Совместная инокуляция со ризобактериями также приводила к более интенсивному образованию клубеньков, при этом у сорта Свапа их число было достоверно выше (p < 0,001), чем в варианте с моноинокуляцией ризоторфином (см. табл. 1). Во всех вариантах с ризоторфином повышалась масса клубеньков. У сорта Свапа совместная обработка ризоторфином и Ps. oryzihabitans Ep4 увеличивала массу клубеньков на обоих фонах минерального питания и активность азотфиксации при N30P81K81 по сравнению с контролем и применением ризоторфина. При использовании V. paradoxus 3-P4 на 70 % фоне минерального питания у инокулированных ризоторфином растений сортов Свапа и Бара достоверно возрастала масса клубеньков (соответственно p < 0,001 и p = 0,044). Повышенную азотфиксацию у всех сортов на 100 % фоне минерального питания отмечали только при совместной инокуляции клубеньковыми и ассоциативными бактериями (см. табл. 1).
При N30P81K81 в фазу цветения увеличилась надземная масса растений у сортов Красивая Меча и Свапа как в случае монокультур бактерий, так и при сочетании штаммов с ризоторфином, но сорт Бара положительно отреагировал только на моноинокуляцию ризоторфином (табл. 2). При N44P116K116 ризоторфин повышал надземную массу только у сортов Красивая Меча и Свапа. Для сорта Бара совместная инокуляция со штаммом Ps. oryzihabitans Ep4, а для сорта Красивая Меча — с V. paradoxus 3-P4 оказалась достоверно эффективнее (соответственно p = 0,015 и p = 0,039) (см. табл. 2), чем моноинокуляция ризоторфином. Штаммы Ps. oryzihabitans Ep4 и V. paradoxus 3-P4 достоверно (p от 0,045 до 0,0012) повысили мас-
1. Симбиотические показатели растений в фазу цветения у сортов сои Glycine max (L.) Merr. под влиянием клубеньковой бактерии Bradyrhizobium japonicum 634b (ризоторфин) и ассоциативных бактерий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4 при разном минеральном питании (M±SEM, НОПЦ «Интеграция» Орловскиого ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы)
Число клубеньков, шт/растение Масса клубеньков, мг/растение Нитрогеназная активность, мкмоль С2Н4/(растение • ч)
Вариант Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара
N30Ps1KS1 (70 %)
Без инокуляции 3±1a 2±1a 2±1a 56±23a 41±11a 28±13a 0,34±0,14a 0,57±0,16a 0,08±0,03a
B. japonicum 634b 18±3b 10±2b 16±4b 603±120bc 339±86b 288±78b 1,15±0,27bc 1,13±0,21ab 0,37±0,05b
Ps. oryzihabitans Ep4 4±1a 4±1a 1±0a 124±49a 124±58ab 41±15a 0,43±0,21a 0,63±0,13a 0,20±0,07ab
V. paradoxus 3P-4 12±5ab 2±1a 3±1a 288±121ab 108±43ab 48±23a 0,80±0,32ab 0,40±0,16a 0,41±0,15ab
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 21±3b 24±3c 12±4b 707±145c 937±166c 357±115bc 0,88±0,15b 1,91±0,32c 0,55±0,13b
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 15±2b 23±3c 12±2b 696±137c 581±81c 469±90c 1,69±0,46c 1,68±0,35bc 0,61±0,16b
N44P116K116 (100 %)
Без инокуляции 4±1a 1±0,3a 1±0a 144±45a 44±17a 22±7a 0,05±0,01a 0,43±0,19a 0,22±0,10a
B. japonicum 634b 20±6b 11±2b 5±1ab 685± 170bc 363±107bc 173±42b 0,64±0,04b 1,03±0,21ab 0,35±0,06a
Ps. oryzihabitans Ep4 11±4ab 3±1a 3±1ab 629±230bc 156±69b 43±18a 0,47±0,08ab 0,78±0,27ab 0,37±0,14a
V. paradoxus 3P-4 7±4a 1±0a 1±0a 344±224ab 51±14a 13±4a 0,47±0,10ab 0,42±0,14a 0,47±0,20ab
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 19±6b 17±3c 8±1b 1025±379c 439±113c 189±25b 1,07±0,27bc 1,15±0,24b 1,07±0,31c
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 13±2b 11±2b 6±1b 835±117c 373±94bc 173±24b 2,12±0,58c 1,33±0,26b 0,77±0,17bc
Примечание. Для каждой дозы удобрений разными латинскими буквами обозначены статистически значимо различающиеся варианты (тест НСР Фишера, р < 0,05, п = 12).
су корней у сорта Красивая Меча при моно- и совместной с ризоторфи-ном инокуляции на обоих фонах минерального питания (см. табл. 2). Инокуляция V. paradoxus 3-P4, а также смесью этого штамма или Ps. oryzi-habitans Ep4 с ризоторфином положительно влияла на массу корней у сортов Свапа и Бара.
2. Биомасса растений в фазу цветения у сортов сои Glycine max (L.) Merr. под влиянием клубеньковой бактерии Bradyrhizobium japonicum 634b (ризоторфин) и ассоциативных бактерий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4 при разном минеральном питании (M±SEM, НОПЦ «Интеграция» ФГБОУ ВО Орловский ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы)
Вариант Сухая масса, г/растение
надземная часть корни
Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара
N3oPsiKSi (70 %)
Без инокуляции 39±2a 35±4a 44±2a 3,5±0,1a 3,9±0,2a 3,8±0,3a
B. japonicum 634b 45±2b 46±3b 55±4b 4,1±0,3ab 5,1±0,4ab 4,1±0,2ab
Ps. oryzihabitans Ep4 49±3bc 45±2ab 43±2a 4,3±0,2bc 5,1±0,4ab 4,6±0,5b
V. paradoxus 3P-4 48±1bc 47±5b 44±4a 4,5±0,1bc 5,8±0,6b 4,3±0,4ab
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 48±2bc 46±5b 47±4ab 4,1±0,3b 6,1±0,5b 4,2±0,2ab
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 52±1c 50±3b 41±4a 4,8±0,2c 5,0±0,3ab 4,7±0,4b
N44P116K116 (100 %)
Без инокуляции 27±3a 46±1a 47±2a 3,5±0,1a 4,8±0,3a 3,7±0,2a
B. japonicum 634b 36±1b 57±3b 49±3ab 3,9±0,3ab 6,1±0,6ab 4,0±0,2ab
Ps. oryzihabitans Ep4 35±1b 48±4ab 59±4bc 4,2±0,2b 5,5±0,5ab 3,9±0,2ab
V. paradoxus 3P-4 33± 1ab 52±4ab 53±5abc 4,5±0,2b 5,2±0,4ab 3,8±0,2ab
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 39±0bc 57±5b 61±3c 4,2±0,2b 6,4±0,8b 4,5±0,1b
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 42±1c 52±4ab 58±5bc 4,1±0,1b 6,3±0,8b 4,0±0,2ab
Примечание. Для каждой дозы удобрений разными латинскими буквами обозначены статистически значимо различающиеся варианты (тест НСР Фишера, p < 0,05, n = 12).
Во всех вариантах с ризоторфином содержание N в листьях увеличивалось (табл. 3). На фоне 70 % минерального питания оба штамма ри-зобактерий при моно- и смешанной инокуляции с ризоторфином повышали содержание Р в листьях у сорта Красивая Меча (см. табл. 3). У сорта Свапа этот показатель возрастал при инокуляции смесью ризоторфина и Ps. oryzihabitans Ep4 на обоих фонах удобрений, у сорта Бара — только на 70 % фоне. Содержание Mg, Ca, B, Fe, Zn и Mo (см. табл. 3) в листьях у растений сортов Красивая Меча и Свапа при использовании смеси ризо-торфина и Ps. oryzihabitans Ep4 на обоих фонах, как правило, было выше. Похожий, но менее выраженный результат для этих двух сортов получили при инокуляции смесью ризоторфина и V. paradoxus 3-P4: при N30P81K81 бактерии не влияли на содержание Mg, Ca, B и Zn, а при N44P116K116 не повышалось количество Р. У сорта Бара (в отличие от двух других) контрольные и инокулированные растения по элементному составу листьев часто различались несущественно что проявилось для Mg, B, Zn, Mo на 70 % фоне и для P, Fe и Zn — на 100 % фоне (см. табл. 3, 4). Положительное влияние совместной инокуляции на содержание макро- и микроэлементов во многих случаях было достоверным по отношению как к контролю без инокуляции, так и к варианту с применением ризоторфина (см. табл. 3, 4).
Ризоторфин и ризобактерии не повышали содержание Co, Cu, K, Mn, Ni и S в листьях. Исключением был рост количества Со у сортов Красивая Меча (на 15 %, p = 0,015, n = 12) и Свапа (на 26 %, p = 0,015, n = 12), а также S — у сорта Свапа (на 23 %, p = 0,016, n = 12) при инокуляции смесью ризоторфина и Ps. oryzihabitans (данные не представлены).
На обоих фонах минерального питания ризоторфин повысил урожай семян у всех сортов (максимально — при смешанных инокуляциях с ризобактериями) (табл. 5). На сорте Свапа достоверный рост урожайности
3. Содержание макроэлементов в листьях в фазу цветения у сортов сои Glycine max (L.) Merr. под влиянием клубеньковой бактерии Bradyrhizobium japonicum 634b (ризоторфин) и ассоциативных бактерий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4 при разном минеральном питании (M±SEM, НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы)
N, мг/г P, мг/г Mg, мг/г Ca, мг/г
Вариант Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара
Без инокуляции B. japonicum 634b Ps. oryzihabitans Ep4 V. paradoxus 3P-4
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4
25,5±0,6a
29,4±07c
27,6±0,8bc
27,1±0,7ab
30,7±0,6c
29,9±0,9c
26,3±0,6a
31,2±1,0bc
27,8±1,0a
28,1±0,8ab
32,6±1,0c
31,2±1,2bc
26,3±1,0a 30,9±1,1b 27,6±0,9a 27,6±0,9a 32,6±0,9b 31,3±1,2b
28,9±0,7a 30,4±1,3a 29,4± 1,3a 11
Без инокуляции
B. japonicum 634b 32,5±0,8bc 33,9±1,2bc 32,2±1,0b 12
Ps. oryzihabitans Ep4 30,0±1,1a 32,2±1,5ab 31,3±1,1a 12
V paradoxus 3P-4 30,5±1,1ab 31,7±1,7a 30,1±1,1a 12
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 33,5±0,6c 35,4±1,1c 34,1±0,9b 13
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 32,0±0,6bc 35,2±1,2bc 33,5±0,9b 12 Примечание. Для каждой дозы удобрений разными латинскими буквами обозначены статистически значимо различающиеся варианты (тест
N3ÖPS1K81 (70 %)
1±0,4a 10,7±0,4a 10,3±0,3a
8±0,3a 11,8±0,3ab 10,4±0,3a
3±0,5b 11,7±0,5ab 11,0±0,6ab
1±0,4b 11,2±0,5ab 10,7±0,3a
8±0,4b 12,5±0,4b 12,0±0,5b
7±0,3b 12,0±0,6ab 10,7±0,5a
N44P116K116 (100 %)
7±0,2a 12,3±0,5a 11,6±0,4a 12,2±0,4a 13,2±0,6ab 12,4±0,6a 14,5±0,6b 13,1±0,6ab
,0±0,4ab
,9±0,4a
,2±0,4ab
,3±0,4ab
,9±0,4b
. 1±0,4ab
4,0±0,2a
4,4±0,2ab
4,5±0,3ab
4,4±0,2ab
5,0±0,3c
4,9±0,2bc
4,2±0,2a 4,7±0,2a 4,5±0,3a 4,2±0,2a 4,7±0,2a 4,7±0,2a
1±0,2a
6±0,3ab
1±0,5a
4±0,1b
0±0,4a
11,8±0,4a 11,8±0,5a 11,9±0,4a 12,8±0,6a 12,0±0,6a
4±0,1a
9±0,1ab
3±0,2ab
9±0,2ab
5±0,3b
4±0,5ab
4,7±0,3ab
4,6±0,3a
4,6±0,2a
4,7±0,2ab
5,3±0,2bc
5,5±0,2c
4,2±0,1a
4,1±0,2a
4,3±0,2ab
4,1±0,2a
5,1±0,4c
4,9±0,5bc
18,0±0,9a
19,0±0,9a
20,2±0,8ab
18,5±0,8a
21,7±1,1b
19,3±1,0ab
17,9±1,0a 21,6±0,9bc 22,7±1,1c 19,5±0,9ab 24,1±1,4c 22,4±1,3bc НСР Фишера,
16,2±0,9a 16,6±1,0a 17,2±1,3a 16,0±0,5a 20,1±1,3b 17,2±1,0a
16,1±0,6a 16,9±0,6a 17,1±0,6a 16,8±0,4a 21,7±1,7b 17,3±1,1a p < 0,05, n --
17,6±0,8a
19,1±0,4ab
17,8±0,8ab
18,5±0,8ab
19,6±0,7b
19,2±0,5ab
15,8±0,3a 17,3±0,6ab 16,4±0,8a 17,0±0,7ab 18,9±0,7b 18,6±0,7b = 12).
4. Содержание микроэлементов в листьях в фазу цветения у сортов сои Glycine max (L.) Merr. под влиянием клубеньковой бактерии Bradyrhizobium japonicum 634b (ризоторфин) и ассоциативных бактерий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4 при разном минеральном питании (M±SEM, НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы)
B, мкг/г Fe, мкг/г Zn, мкг/г Mo, мкг/г
Вариант Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара
N3ÖPS1K81 (70 %)
Без инокуляции 45±2a 39±2a 50±5a 109±3ab 112±4a 108±7a 30±3a 35±3a 39±3a 9,3±0,4a 8,7±0,2a 9,4±0,3a
B. japonicum 634b 54±4ab 45±3a 52±5a 102±5a 112±5a 122±11a 31±3a 41±3ab 37±2a 9,6±0,3a 9,1±0,3a 9,7±0,2a
Ps. oryzihabitans Ep4 49±5ab 46±4a 50±4a 125±8b 137±17b 130±10ab 35±2ab 40±3a 37±3a 10,1±0,3ab 8,8±0,3a 9,7±0,3a
V. paradoxus 3P-4 55±4b 46±4a 52±4a 123±13b 126±13ab 112±7a 34±2ab 37±3a 35±3a 9,8±0,3ab 8,9±0,3a 9,4±0,3a
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 53±3ab 58±4b 56±5a 143±8b 137±7b 145±12b 39±3b 49±4b 38±3a 10,6±0,3b 10,3±0,5b 10,0±0,4a
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 54±5ab 48±4a 51±4a 126±8b 126±4ab 139±12b 34±3ab 36±3a 36±3a 10,2±0,4b 9,3±0,4a 9,6±0,2a
N44P116K116 (100 %)
Без инокуляции 55±1a 42±1a 42±2a 121±4a 103±5a 112±6a 42±1a 34±3a 39±2a 9,7±0,1a 8,6±0,3a 9,0±0,2a
B. japonicum 634b 55±2a 44±2ab 55±5b 130±8ab 117±8ab 118±10a 45±2a 45±3b 40±2a 10,7±0,2b 9,1±0,3ab 8,7±0,3a
Ps. oryzihabitans Ep4 57±3a 47±3ab 55±4b 132±6ab 116±5ab 114±5a 42±3a 39±3ab 37±2a 11,1±0,2bc 9,0±0,2ab 8,6±0,2a
V. paradoxus 3P-4 56±2a 50±2ab 55±3b 123±4a 128±6bc 115±5a 41±2a 41±2ab 41±3a 10,2±0,3ab 9,2±0,1ab 9,0±0,2a
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 62±5a 60±5c 74±6c 164±8c 144±12c 133±4a 47±2a 47±3b 43±2a 11,9±0,4c 9,3±0,2ab 10,1±0,4b
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 61±4a 53±4bc 52±3b 150±9bc 130±6bc 131±5a 45±2a 43±3b 40±2a 11,6±0,4c 9,5±0,4b 10,0±0,4b
Примечание. Для каждой дозы удобрений разными латинскими буквами обозначены статистически значимо различающиеся варианты (тест НСР Фишера, Р < 0,05, п = 12).
5. Продуктивные показатели у сортов сои Glycine max (L.) Merr. под влиянием клубеньковой бактерии Bradyrhizobium japonicum 634b (ризотор-фин) и ассоциативных бактерий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Variovorax paradoxus 3-P4 при разном минеральном питании (M±SEM; НОПЦ «Интеграция» ФГБОУ ВО Орловский ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н; 2013-2015 годы)
Урожайность, г/м2 Содержание белка в семенах, % Содержание жира в семенах, %
Вариант Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара Красивая Меча Свапа Бара
N3ÖPS1K81 (70 %)
Без инокуляции 217±10a 200±14a 204±6a 34,2±2,0a 31,6±0,7a 33,0±0,8a 21,0±0,8a 23,2±0,9a 23,7±1,2a
B. japonicum 634b 262±8b 264±16b 258±9bc 38,1±0,7b 34,4±0,4b 34,6±1,0a 22,8±0,4b 24,5±0,8b 24,0±0,8ab
Ps. oryzihabitans Ep4 250±11ab 258±10b 240±10bc 38,1±0,9b 33,7±0,9a 34,5±1,7a 21,8±0,5ab 24,7±0,6ab 23,3±0,9a
V. paradoxus 3P-4 260±14b 229±6ab 226± 11ab 38,2±0,6b 35,9±0,3b 34,6±0,3a 21,7±0,7ab 23,9±0,8ab 24,3±1,1ab
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 249±12ab 313±15c 251±10c 39,0±1,0b 41,1±0,7c 35,1±0,8ab 23,2±0,7b 23,9±0,3ab 25,9±1,1b
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 270±14b 280±17bc 270±15c 38,3±0,6b 36,4±0,9b 37,8±0,9b 21,8±0,9ab 24,9±0,6b 22,5±0,3a
N44P116K116 (100 %)
Без инокуляции 204±26a 237±11a 266±21a 34,6±2,4a 32,7±1,3a 33,3±0,8a 19,8±0,5a 23,0±0,3a 22,6±0,4a
B. japonicum 634b 249±12b 299±10b 312±6bc 39,3±1,2b 35,4±1,1bc 35,8±1,4ab 21,8±0,7b 22,5±0,3a 22,7±0,9a
Ps. oryzihabitans Ep4 219±26ab 267±12ab 290±13a 40,1±1,1b 35,6±0,9c 35,0±0,8a 21,4±0,7ab 23,3±0,3ab 23,0±0,2a
V. paradoxus 3P-4 235±18ab 272±17ab 293±15a 40,3±0,3b 33,2±1,3ab 35,7±0,7ab 21,8±0,3b 24,7±0,4b 23,2±0,2a
B. japonicum 634b + Ps. oryzihabitans Ep4 251±13b 277±9b 343±7c 39,7±0,8b 37,9±0,5d 36,9±1,8b 22,0±0,5b 23,9±0,5ab 24,2±1,0a
B. japonicum 634b + V. paradoxus 3P-4 253±10b 301±12b 313±15c 38,1±1,0b 36,3±0,6c 36,9±0,5b 22,9±0,3b 24,8±0,5b 23,4±0,4a
Примечание. Для каждой дозы удобрений разными латинскими буквами обозначены статистически значимо различающиеся варианты (тест НСР Фишера, р < 0,05, п = 12).
(p = 0,008) относительно варианта с ризоторфином получили при его комбинации с Ps. oryzihabitans Ep4 при 100 % минерального питания. Содержание белка в семенах повышалось во всех вариантах инокуляции у сорта Красивая Меча, а также во всех вариантах у сорта Свапа (кроме моноинокуляций Ps. oryzihabitans Ep4 и V. paradoxus 3-P4 на фоне соответственно N30P81K81 и N44P116K116) (табл. 5). У сорта Бара этот эффект наблюдали только для комбинаций ризоторфина с V. paradoxus 3-P4 при N30P81K81 и с обоими ризосферными штаммами при N44P116K116. Содержание жира в семенах инокулированных растений тоже чаще было выше у сорта Красивая Меча, реже — у сорта Свапа и только в одном случае (смесь ризофор-фина и Ps. oryzihabitans Ep4 на 70 % фоне) — у сорта Бара (см. табл. 5).
Проведенные нами полевые опыты показали, что ризобактерии положительно влияют на азотфиксирующий симбиоз, рост и питание раннеспелых сортов сои северных экотипов. Это расширяет имеющиеся представления о взаимодействиях ризобактерий с бобовыми растениями при коинокуляции (11, 12, 14, 16), сравнении других сортов (15-19), разном азотном и фосфорном питании (20) в традиционных районах возделывания сои. Подтвердились данные о специфичности реакций изучаемых сортов на инокуляцию ризобактериями, которые указывали на более эффективную интеграцию штамма Ps. oryzihabitans Ep4 с сортами Красивая Меча и Свапа, обусловленную особенностями корневой экссудации (37). У этих сортов корни растений более интенсивно выделяют органические кислоты и сахара, которые служат питательным субстратом для ризобактерий и способствуют колонизации ризосферы. Ризобактерии, в свою очередь, хуже используют корневые экссудаты у сорта Бара (вероятно, из-за присутствия антибактериальных веществ). Еще один важный компонент экссудатов — триптофан (предшественник при биосинтезе ауксинов бактериями) (34) не усваивается в ризосфере у растений сорта Бара (37). Полученные результаты согласуется с данными о важной роли корневых экссудатов в сортовой специфичности эффектов ризобактерий, описанной для роста растений гороха (32), бобово-ризобиального симбиоза сои (15, 30), а также роста у Arabidopsis thaliana (45) и сорго (46).
Более эффективные взаимодействия между изучаемыми ризобакте-риями и сортами Красивая Меча и Свапа по сравнению с сортом Бара также подтверждается оценкой бактериальных эффектов по интегрированным параметрам (рис. 1). Они позволяют суммировать показатели, относящиеся к определенным аспектам реакции растений на инокуляцию, но не зависят от эффекта использования ризоторфина. Во всех случаях (за исключением влияния V. paradoxus 3-P4 на симбиоз) минимальные значения эффектов ризобактерий наблюдались для сорта Бара (см. рис. 1). При этом эффекты обоих штаммов на минеральное питании и штамма V. para-doxus 3-P4 — на биомассу растений у сорта Свапа оказались достоверно выше, чем для сорта Бара. Отметим, что максимальные относительные величины ризобактериальных эффектов получены для параметров азотфикси-рующего симбиоза (см. табл. 1, рис. 1). Это указывает на важность взаимодействий микроорганизмов в ризосфере не только для обеспечения активного роста за счет эффективного функционирования симбиоза, но и для интенсивного минерального питания растений. Действительно, по содержанию питательных элементов в листьях при совместной инокуляции ризобактери-ями и ризоторфином наблюдались аддитивные и синергические эффекты .
Положительное действие ризобактерий на азотфиксирующий симбиоз сои (повышение образования клубеньков и ацетилен-редуктазной активности) могло быть связано с наличием фермента АЦК дезаминазы
(38, 39). Известно, что АЦК-утилизирующие ризобактерии уменьшают количество АЦК в корнях, способствуя снижению биосинтеза растениями фитогормона этилена, который служит ингибитором образования симбио-тических клубеньков (23, 48). В наших экспериментах ранее описана стимуляция клубенькообразования у гороха штаммом V. paradoxus 5C-2 (21), а также у сои сорта Свапа штаммом Ps. oryzihabitans Ep4 (37).
Рис. 1. Зависимость эффекта ризобак-терий Pseudomonas oryzihabitans Ep4 (А) и Variovorax paradoxus 3P-4 (Б) от сорта сои Glycine max (L.) Merr., оцененная по интегрированным параметрам: I — симбиоз (число клубеньков, масса клубеньков, нитрогеназная активность), II — биомасса (надземная масса, масса корней в фазу цветения, урожайность), III — питание (содержание N, P, K, Mg, Ca, B, Fe, Zn и Mo в листьях), IV — качество (содержание белка и жира в семенах); 1 — Красивая Меча, 2 — Свапа, 3 — Бара. Эффект ризобактерий рассчитан как среднее значение эффектов компонентов параметра относительно соответствующего контролю (без инокуляции или с инокуляцией B. japonicum 634b) на каждом из двух фонов удобрений (N3öP8iK8i или N44P116K116). Вертикальными отрезками обозначены ошибки средних (±SEM). Статистически значимые различия между сортами для каждого параметра обозначены разными латинскими буквами (t-тест Стьюдента, р < 0,05) (НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лав-рово, Орловский р-н, 2013-2015 годы).
Полученные результаты согласуются с данными исследователей, изучавших влияние совместной инокуляции клубеньковыми и ризосфер-ными бактериями на азотфиксирующий симбиоз у различных бобовых культур. Так, показано, что инокуляция нута ризобиями Mesorhizobium ciceri и ризобактериями Ps. fluorescens (49) или Bacillus sp. (50) приводила к увеличению числа и массы клубеньков. Эти показатели повышались также при совместной инокуляции фасоли ризобиями R. leguminosarum bv. phaseoli с разными видами ризобактерий рода Bacillus (51-52), Ps. fluorescens или Az. lipoferum (53). Ризобактерии Az. brasilense, Azotobacter chroococcum, B. ce-reus, Ps. putida и Ps. fluorescens стимулировали образование клубеньков и азотфиксирующую активность у голубиного гороха (Cajanus cajan) при применении биопрепарата клубеньковых бактерий Rhizobium sp. (54). Похожие результаты получены при использовании ризобактерий и ризобий для инокуляции гороха (55, 56), чечевицы (56), маша (57) и люценры (58). Как правило, в этих экспериментах стимуляция образования клубеньков приводила к повышению биомассы надземной части растений и урожая семян.
Влияние изучаемых штаммов ризобактерий на растения сои было во многом сходно, о чем свидетельствовала положительная корреляция между эффектами Ps. oryzihabitans Ep4 и V. paradoxus 3-P4 на измеряемые параметры на фоне N30P81K81 (r = +0,60, p < 0,001, n = 48) и N44P116K116 (r = +0,70, p < 0,001, n = 48). Это могло быть связано с общностью механизмов их взаимодействия с растениями, поскольку оба штамма обладают высокой активностью АЦК дезаминазы и продуцируют ауксины и
сидерофоры (37-39). Но Ps. oryzihabitans Ep4 в большей степени, чем V. paradoxus 3-P4, повышал содержание питательных элементов в листьях, особенно при совместной инокуляции с клубеньковыми бактериями (см. табл. 3, 4, рис. 1). Известно, что ризобактерии рода Pseudomonas мобилизуют питательные элементы в почве и их положительное действие на минеральное питание служит важным механизмом улучшения роста растений (4, 25, 43, 44). Однако имеются лишь фрагментарные сведения о способности ризобактерий рода Variovorax влиять на потребление растениями питательных элементов. Так, ранее мы показали, что инокуляция штаммом V. paradoxus 5C-2 гороха повышала потребление N, P, K, Ca и Mg растениями (25, 59). Представленные в настоящей работе результаты указывают на то, что V. paradoxus усиливает потребление питательных элементов соей и этот эффект зависит от сорта и дозы минеральных удобрений.
Рис. 2. Реакция сортов сои Glycine max (L.) Merr. Красная Меча (1), Свапа (2) и Бара (3) на минеральные удобрения: ЧКлуб — число клубеньков, МКлуб — масса клубеньков, Nfix — ацетилен-редуктазная активность клубеньков, НМ — надземная масса сухих растений в фазу цветения, МК — масса сухих корней в фазу цветения, МС — масса семян в фазу полной спелости; N, P, K, Ca, Mg, Fe, B, Cu, Mn, Mo, Ni и Zn — содержание элементов в листьях в фазу цветения. Эффект фона удобрений представлен как отношение средних для всех вариантов инокуляции абсолютных величин показателя при N30P81K81 к средней величине этого показателя при N44P116K116. Звездочками обозначены статистически значимые различия между фонами удобрений (тест НСР Фишера, р < 0,05, n = 72) (НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ, п. Лаврово, Орловский р-н, 2013-2015 годы).
Наблюдаемые на растениях эффекты для каждого из двух штаммов ризобактерий также были схожи на обоих фонах минерального питания. Мы обнаружили положительную корреляцию эффектов на этих фонах по измеряемым параметрам для Ps. oryzihabitans Ep4 (r = +0,61, p < 0,001, n = 48) и
V. paradoxus 3-P4 (r = +0,49, p < 0,001, n = 48). Результаты свидетельствуют о способности изучаемых ризобактерий положительно и относительно стабильно влиять на ростовые и питательные характеристики растений сои при разных дозах минерального питания. В то же время в реакции сортов сои на минеральные удобрения обнаружены существенные различия, которые показаны как усредненные эффекты фактора удобрений для всех вариантов инокуляции (рис. 2). Во-первых, на 100 % фоне минерального питания у сортов Свапа и Бара число и масса клубеньков были меньше, а у сорта Красивая Меча второй показатель повышался. То есть оптимальная доза удобрений (наиболее вероятно, азотных) для образования азот-фиксирующего симбиоза индивидуальна для сорта. Во-вторых, положительная ростовая реакция на повышение дозы минеральных удобрений была в большей степени характерна для сорта Бара с относительно низким симбиотическим потенциалом в отношении ризобактерий, что привело к наибольшему увеличению надземной массы и массы семян (см. рис. 1). Отзывчивость на минеральные удобрения и эффективность симбиоза могут быть взаимосвязаны, поскольку у растений существует эволюционная детерминанта, направленная на компенсацию низкой адаптации к неблагоприятным почвенным условиям за счет интенсификации симбиотиче-ских взаимодействий с микроорганизмами. Этот феномен впервые был описан нами при изучении корреляций между эффективностью взаимодействия 99 генотипов гороха с грибами арбускулярной микоризы и их устойчивостью к тяжелым металлам (60). В-третьих, при повышении дозы удобрений только у сорта Бара снижалось содержание питательных элементов (Ca, Mn, Mo, и Ni) в листьях, за исключением уменьшения количества К у сорта Красивая Меча (см. рис. 1). Это, вероятно, было связано с разбавлением элементов биомассой, которая наиболее значимо повышалась у сорта Бара на 100 % фоне минерального питания.
Таким образом, ризобактерии Pseudomonas oryzihabitans Ep4 и Vario-vorax paradoxus 3-P4, которые продуцируют ауксины и обладают АЦК-дезаминазной активностью, способны активизировать бобово-ризобиаль-ный симбиоз и потребление корнями питательных элементов из почвы, повышать продуктивность и улучшать качество семян раннеспелых сортов сои северного экотипа. Это указывает на стабильность и значимость наблюдаемых эффектов и, следовательно, на перспективность использования таких микроорганизмов в качестве биопрепаратов для улучшения адаптации сои к северным регионам возделывания. Существенные генотипические различия между сортами сои в реакциях на инокуляцию ризобактериями свидетельствуют о более высокой степени интеграции ризобактерий с сортами Красивая Меча и Свапа по сравнению с сортом Бара в условиях аг-роценоза. Возможно, недостаток симбиотического потенциала сорта Бара компенсируется его способностью более эффективно использовать минеральные удобрения. В этой связи представляет интерес изучение возможностей создания сортов и растительно-микробных систем, сочетающих высокую симбиотрофность и активную ассимиляцию питательных элементов из удобрений и почвы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Vessey J.K. Plant growth promoting rhizobacteria as biofertilizers. Plant Soil, 2003, 255(2): 571586 (doi: 10.1023/A:1026037216893).
2. Bashan Y., Holguin G., de-Bashan L.E. Azospirillum-plant relationships: physiological, molecular, agricultural, and environmental advances (1997-2003). Can. J. Microbiol., 2004, 50(8): 521577 (doi: 10.1139/w04-035).
3. Glick B.R., Cheng Z., Czarny J., Duan J. Promotion of plant growth by ACC deaminase-
producing soil bacteria. Eur. J. Plant Pathol., 2007, 119(3): 329-339 (doi: 10.1007/s10658-007-9162-4).
4. Plant growth and health promoting bacteria /D.K. Maheshwari (ed.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2010 (doi: 10.1007/978-3-642-13612-2).
5. Nascimento F.X., Rossi M.J., Soares C.R.F.S., McConkey B.J., Glick B.R. New insights into 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase phylogeny, evolution and ecological significance. PLoS ONE, 2014, 9(6): e99168 (doi: 10.1371/journal.pone.0099168).
6. Korir H., Mungai N.W., Thuita M., Hamba Y., Masso C. Co-inoculation effect of rhizobia and plant growth promoting rhizobacteria on common bean growth in a low phosphorus soil. Front. Plant Sci., 2017, 8: 141 (doi: 10.3389/fpls.2017.00141).
7. Medeot D.B., Paulucci N.S., Albornoz A.I., Fumero M.V., Bueno M.A., Garcia M.B., Woel-ke V.R., Okon Y., Dardanelli M.S. Plant growth promoting rhizobacteria improving the leg-ume-rhizobia symbiosis. In: Microbes for legume improvement /M.S. Khan, A. Zaidi, J. Musarrat (eds.). Springer-Verlag, Vienna, 2010: 473-494 (doi: 10.1007/978-3-211-99753-6_19).
8. Pérez-Montaco F., Alías-Villegas C., Bellogín R.A., del Cerro P., Espuny M.R., Jiménez-Guerrero I., López-Baena F.J., Ollero F.J., Cubo T. Plant growth promotion in cereal and leguminous agricultural important plants: from microorganism capacities to crop production. Microbiol. Res., 2014, 169(5-6): 325-336 (doi: 10.1016/j.micres.2013.09.011).
9. Polonenko D.R., Scher F.M., Kloepper J.W., Singgleton C.A., Laliberte M., Zaleska I. Effects of roots colonizing bacteria on nodulation of soybean roots by Bradyrhizobium japonicum. Can. J. Microbiol, 1987, 33(6): 498-503 (doi: 10.1139/m87-083).
10. Zhang F., Dashti N., Hynes R.K., Smith D.L. Plant growth promoting rhizobacteria and soybean [Glycine max (L.) Merr.] nodulation and nitrogen fixation at suboptimal root zone temperatures. Annals of Botany, 1996, 77(5): 453-460 (doi: 10.1006/anbo.1996.0055).
11. Chebotar V.K., Asis C.A., Akao S. Production of growth-promoting substances and high colonization ability of rhizobacteria enhance the nitrogen fixation of soybean when coinoculated with Bradyrhizobium japonicum. Biol. Fert. Soils, 2001, 34(6): 427-432 (doi: 10.1007/s00374-001-0426-4).
12. Hungria M., Nogueira M., Araujo R. Co-inoculation of soybeans and common beans with rhizobia and azospirilla: strategies to improve sustainability. Biol. Fert. Soils, 2013, 49(7): 791-801 (doi: 10.1007/s00374-012-0771-5).
13. Bai Y., D'Aoust F., Smith D.L., Driscoll B.T. Isolation of plant-growth-promoting Bacillus strains from soybean root nodules. Can. J. Microbiol., 2002, 48(3): 230-238 (doi: 10.1139/w02-014).
14. Bai Y., Zhou-Xiao M., Smith D.L. Enhanced soybean plant growth resulting from coinocula-tion of Bacillus strains with Bradyrhizobium japonicum. Crop Sci., 2003, 43(5): 1774-1781 (doi: 10.2135/cropsci2003.1774).
15. Atieno M., Herrmann L., Okalebo R., Lesueur D. Efficiency of different formulations of Brady-rhizobium japonicum and effect of co-inoculation of Bacillus subtilis with two different strains of Bradyrhizobium japonicum. World J. Microbiol. Biotechnol., 2012, 28(7): 2541-2550 (doi: 10.1007/s11274-012-1062-x).
16. Tsigie A., Tilak K.V.B.R., Anil K.S. Field response of legumes to inoculation with plant growth-promoting rhizobacteria. Biol. Fert. Soils, 2012, 47: 971-974 (doi: 10.1007/s00374-011-0573-1).
17. Masciarelli O., Llanes A., Luna V. A new PGPR co-inoculated with Bradyrhizobium japonicum enhances soybean nodulation. Microbiol. Res., 2014, 169: 609-615 (doi: 10.1016/j.micres.2013.10.001).
18. Mishra P.K., Mishra S., Selvakumar G., Kundu S., Gupta H.S. Enhanced soybean (Glycine max L.) plant growth and nodulation by Bradyrhizobium japonicum-SB1 in presence of Bacillus thurin-giensis-KR1. Acta Agr. Scand. B-S. P., 2009, 59(2): 189-196 (doi: 10.1080/09064710802040558).
19. Diep C.N., My N.T.X., Nhu V.T.P. Isolation and characterization of endophytic bacteria in soybean root nodules. World Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 2016, 5(6): 222-241.
20. Shiri-Janagard M., Raei Y., Gasemi-Golezani G., Aliasgarzad N. Influence of Bradyrhizobium japonicum and phosphate solubilizing bacteria on soybean yield at different levels of nitrogen and phosphorus. International Journal of Agronomy and Plant Production, 2012, 3(11): 544-549.
21. Belimov A.A., Dodd I.C., Hontzeas N., Theobald J.C., Safronova V.I., Davies W.J. Rhizo-sphere bacteria containing ACC deaminase increase yield of plants grown in drying soil via both local and systemic hormone signaling. New Phytol., 2009, 181: 413-423 (doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02657.x).
22. Gamalero E., Glick B.R. Bacterial modulation of plant ethylene levels. Plant Physiol., 2015, 169: 13-22 (doi: 10.1104/pp.15.00284).
23. Nascimento F.X., Brígido C., Glick B.R., Rossi M.J. The role of rhizobial ACC deaminase in the nodulation process of leguminous plants. International Journal of Agronomy, 2016, 2016: Article ID 1369472 (doi: 10.1155/2016/1369472).
24. Remans R., Beebe S., Blair M., Manrique G., Tovar E., Rao I., Croonenborghs A., Torres-Gutierrez R., El-Howeity M., Michiels J., Vanderleyden J. Physiological and genetic analysis of root responsiveness to auxin-producing plant growth-promoting bacteria in common bean (Phaseolus vulgaris L.). Plant Soil, 2008, 302(1-2): 149-161 (doi: 10.1007/s11104-007-9462-7).
25. Safronova V.I., Stepanok V.V., Engqvist G.L., Alekseyev Y.V., Belimov A.A. Root-associated bacteria containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase improve growth and nutrient
uptake by pea genotypes cultivated in cadmium supplemented soil. Biol. Fert. Soils, 2006, 42(3): 267-272 (doi: 10.1007/s00374-005-0024-y).
26. Das S.K., Sharma K.L., Neelam S., Srinivas K. Effect of cultivare, nitrogen sources and soil types on response of sorghum (Sorghum bicolor L.) to Azospirillum inoculation. Ann. Agric. Sci., 1997, 18(3): 313-317.
27. Saubidet M.I., Barneix A.J. Growth stimulation and nitrogen supply to wheat plants inoculated with Azospirillum brasilense. J. Plant Nutr, 1998, 21(12): 2565-2577 (doi: 10.1080/01904169809365588).
28. Burdman S., Kigel J., Okon Y. Effects of Azospirillum brasilense on nodulation and growth of common bean (Phaseolus vulgaris L.). Soil Biol. Biochem., 1997, 29(5-6): 923-929 (doi: 10.1016/S0038-0717(96)00222-2).
29. Walker V., Bertrand C., Bellvert F., Menne-Loccoz Y., Bally R., Comte G. Host plant secondary metabolite profiling shows a complex, strain-dependent response of maize to plant growth-promoting rhizobacteria of the genus Azospirillum. New Phytol., 2011, 189(2): 494-506 (doi: 10.1111/j.1469-8137.2010.03484.x).
30. Dashti N., Zhang F., Hynes R., Smith D.L. Plant growth promoting rhizobacteria accelerate nodulation and increase nitrogen fixation activity by field grown soybean [Glycine max (L.) Merr.] under short season conditions. Plant Soil, 1998, 200(2): 205-213 (doi: 10.1023/A:1004358100856).
31. Белимов А.А., Демчинская С.В., Сафронова В.И. Реакция гороха на инокуляцию ризо-сферными АЦК-утилизирующими бактериями в присутствии эндомикоризного гриба Glomus intraradices. Сельскохозяйственная биология, 2012, 3: 90-97.
32. Кузмичева Ю.В., Шапошников А.И., Азарова Т.С., Петрова С.Н., Наумкина Т.С., Борисов А.Ю., Белимов А.А., Кравченко Л.В., Парахин Н.В., Тихонович И.А. Состав корневых экзометаболитов высокосимбиотрофного сорта гороха Триумф и его родительских форм. Физиология растений, 2014, 61(1): 121-128.
33. Imran A., Mirza M.S., Shah T.M., Malik K.A., Hafeez F.Y. Differential response of kabuli and desi chickpea genotypes toward inoculation with PGPR in different soils. Front. Microbiol., 2015, 6: 859 (doi: 10.3389/fmicb.2015.00859).
34. Drogue B., Sanguin H., Chamam A., Mozar M., Llauro C., Panaud O., Prigent-Combaret C., Picault N., Wisniewski-Dye F. Plant root transcriptome profiling reveals a strain-dependent response during Azospirillum-rice cooperation. Front. Plant. Sci., 2014, 5: 607 (doi: 10.3389/fpls.2014.00607).
35. Okubara P.A., Kornoely J.P., Landa B.B. Rhizosphere colonization of hexaploid wheat by Pseudomonas fluorescens strains Q8rl-96 and Q2-87 is cultivar-variable and associated with changes in gross root morphology. Biol. Control, 2004, 30(2): 392-403 (doi: 10.1016/j.biocontrol.2003.11.003).
36. Smith K.P., Goodman R.M. Host variation for interactions with beneficial plant-associated microbes. Annu. Rev. Phytopathol., 1999, 37: 473-491 (doi: 10.1146/annurev.phyto.37.1.473).
37. Kuzmicheva Y.V., Shaposhnikov A.I., Petrova S.N., Makarova N.M., Tychinskaya I.L., Pu-halsky J.V., Parahin N.V., Tikhonovich I.A., Belimov A.A. Variety specific relationships between effects of rhizobacteria on root exudation, growth and nutrient uptake of soybean. Plant Soil, 2017, 419(1-2): 83-96 (doi: 10.1007/s11104-017-3320-z).
38. Belimov A.A., Safronova V.I., Sergeyeva T.A., Egorova T.N., Matveyeva V.A., Tsyganov V.E., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A., Kluge C., Preisfeld A., Dietz K.J., Stepanok V.V. Characterisation of plant growth-promoting rhizobacteria isolated from polluted soils and containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase. Can. J. Microbiol., 2001, 47(7): 642-652 (doi: 10.1139/cjm-47-7-642).
39. Belimov A.A., Hontzeas N., Safronova V.I., Demchinskaya S.V., Piluzza G., Bullitta S., Glick B.R. Cadmium-tolerant plant growth-promoting bacteria associated with the roots of Indian mustard (Brassica juncea L. Czern.). Soil Biol. Biochem., 2005, 37(2): 241-250 (doi: 10.1016/j.soilbio.2004.07.033).
40. Лактионов Ю.В., Попова Т.А., Андреев О.А., Ибатуллина Р.П., Кожемяков А.П. Создание стабильной формы ростстимулирующих микробиологических препаратов и их эффективность. Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 116-118.
41. Arinushkina E.V. Guidelines for the chemical analysis of soils. Moscow State University Press, Moscow, 1970.
42. Hardy R.W.F., Bums R.C., Holsten R.D. Application of the C2H2-C2H4 assay for measurement of nitrogen fixation. Soil Biol. Biochem., 1973, 5(1): 47-82 (doi: 10.1016/0038-0717(73)90093-X).
43. Preston G.M. Plant perceptions of plant growth-promoting Pseudomonas. Philos. T. Roy. Soc. B, 2004, 359(1446): 907-918 (doi: 10.1098/rstb.2003.1384).
44. Patten C.L., Glick B.R. Bacterial biosynthesis of indole-3-acetic acid. Can. J. Microbiol., 1996, 42(3): 207-220 (doi: 10.1139/m96-032).
45. Spaepen S., Vanderleyden J., Remans R. Indole-3-acetic acid in microbial and microorganism-plant signaling. FEMS Microbiol. Rev, 2007, 31(4): 425-448 (doi: 10.1111/j.1574-6976.2007.00072.x).
46. Badri D.V., Quintana N., El-Kassis E.G., Kim H.K., Choi Y.H., Sugiyama A., Verpoorte R., Martinoia E., Manter D.K., Vivanco J.M. An ABC transporter mutation alters root exudation
of phytochemicals that provoke an overhaul of natural soil microbiota. Plant Physiol., 2009, 151: 2006-2017 (doi: 10.1104/pp.109.147462).
47. Saleem M., Arshad M., Hussain S., Bhatti A.S. Perspective of plant growth promoting rhizo-bacteria (PGPR) containing ACC deaminase in stress agriculture. J. Ind. Microbiol. Biot, 2007, 34(10): 635-648 (doi: 10.1007/s10295-007-0240-6).
48. Krotzky A., Bergold R., Werner D. Plant characteristics limiting associative N2 fixation with two cultivars of sorghum mutants. Soil Biol. Biochem., 1988, 20(2): 157-162 (doi: 10.1016/0038-0717(88)90032-6).
49. Verma J.P., Yadav J., Tiwari K.N. Enhancement of nodulation and yield of chickpea by co-inoculation of indigenous Mesorhizobium spp. and plant growth-promoting rhizobacteria in Eastern Uttar Pradesh. Commun. Soil Sci. Plan, 2012, 43(3): 605-621 (doi: 10.1080/00103624.2012.639110).
50. Wani P.A., Khan M.S., Zaidi A. Co-inoculation of nitrogen fixing and phosphate solubilizing bacteria to promote growth, yield and nutrient uptake in chickpea. Acta Agron. Hung., 2007, 55(3): 315-323 (doi: 10.1556/AAgr.55.2007.3.7).
51. Elkoca E., Turan M., Donmez M.F. Effects of single, dual and triple inoculations with Bacillus subtilis, Bacillus megaterium and Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli on nodulation, nutrient uptake, yield and yield parameters of common bean (Phaseolus vulgaris L. cv. 'ELK0CA-05'). J. Plant Nutr., 2010, 33(14): 2104-2119 (doi: 10.1080/01904167.2010.519084).
52. Figueiredo M.V.B., Martinez C.R., Burity H.A., Chanway C.P. Plant growth-promoting rhi-zobacteria for improving nodulation and nitrogen fixation in the common bean (Phaseolus vulgaris L.). World J. Microb. Biot., 2008, 24(7): 1187-1193 (doi: 10.1007/s11274-007-9591-4).
53. Yadegari M., Asadi Rahmani H., Noormohammadi G., Ayneband A. Plant growth promoting rhizobacteria increase growth, yield and nitrogen fixation in Phaseolus vulgaris. J. Plant Nutr., 2010, 33(12): 1733-1743 (doi: 10.1080/01904167.2010.503776).
54. Tilak K.V.B.R., Ranganayaki N., Manoharachari C. Synergistic effects of plant-growth promoting rhizobacteria and Rhizobium on nodulation and nitrogen fixation by pigeon pea (Cajanus ca-jan). Eur. J. Soil Sci., 2006, 57(1): 67-71 (doi: 10.1111/j.1365-2389.2006.00771.x).
55. Dileep Kumar B.S., Berggren I., Mertensson A.M. Potential for improving pea production by co-inoculation with fluorescent Pseudomonas and Rhizobium. Plant Soil, 2001, 229(1): 25-34 (doi: 10.1023/A:1004896118286).
56. Mishra P.K., Mishra S., Selvakumar G., Bisht J. K., Kundu S., Gupta H.S. Co-inoculation of Bacillus thuringeinsis-KR1 with Rhizobium leguminosarum enhances plant growth and nodulation of pea (Pisum sativum L.) and lentil (Lens culinaris L.). World J. Microb. Biot., 2009, 25(5): 753761 (doi: 10.1007/s11274-009-9963-z).
57. Qureshi M.A., Shakir M.A., Iqbal A., Akhtar N., Khan A. Co-inoculation of phosphate solubilizing bacteria and rhizobia for improving growth and yield of mungbean (Vigna radiata L.). J. Anim. Plant Sci., 2012, 21(3): 491-497.
58. Guinazu L.B., Andres J.A., Del Papa M.F., Pistorio M., Rosas S.B. Response of alfalfa (Medi-cago sativa L.) to single and mixed inoculation with phosphate-solubilising bacteria and Sinorhi-zobium meliloti. Biol. Fert. Soils, 2010, 46(2): 185-190 (doi: 10.1007/s00374-009-0408-5).
59. Wang Q., Dodd I.C., Belimov A.A., Jiang F. Rhizosphere bacteria containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase increase growth and photosynthesis of pea plants under salt stress by limiting Na+ accumulation. Funct. Plant Biol., 2016, 43(2): 161-172.
60. Belimov A.A., Puhalsky I.V., Safronova V.I., Shaposhnikov A.I., Vishnyakova M.A., Semenova E.V., Zinovkina N.Y., Makarova N.M., Wenzel W., Tikhonovich I.A. Role of plant genotype and soil conditions in symbiotic plant-microbe interactions for adaptation of plants to cadmium polluted soils. Water Air Soil Poll., 2015, 226(8): 1-15 (doi: 10.1007/s11270-015-2537-9).
1ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный Поступила в редакцию
университет им. Н.В. Парахина, 29 ноября 2017 года
302019 Россия, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69,
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected];
2ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии,
196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Н
Sel'skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology], 2018, V. 53, № 5, pp. 977-993
CULTIVAR SPECIFICITY OF THE RHIZOBACTERIAL EFFECTS ON NITROGEN-FIXING SYMBIOSIS AND MINERAL NUTRITION OF SOYBEAN UNDER AGROCENOSIS CONDITIONS
Yu.V. Beregovaya1, I.L. Tychinskaya1, S.N. Petrova1, N.V. Parahin1, J.V. Puhalsky2,
N.M. Makarova2, A.I. Shaposhnikov2, A.A. Belimov2
1Parakhin Orel State Agrarian University, 69, ul. Generala Rodina, Orel, 302019 Russia, e-mail [email protected], [email protected], [email protected];
2All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology, Federal Agency for Scientific Organizations, 3, sh. Podbel'skogo, St. Petersburg, 196608 Russia, e-mail [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] (H corresponding author) ORCID:
Beregovaya Yu.V. orcid.org/0000-0001-7853-326X Tychinskaya I.L. orcid.org/0000-0002-9805-8432
Petrova S.N. orcid.org/0000-0003-4482-3458 Puhalsky J.V. orcid.org/0000-0001-5233-3497
Makarova N.M. orcid.org/0000-0003-4781-328X Shaposhnikov A.I. orcid.org/0000-0003-0771-5589
Belimov A.A. orcid.org/0000-0002-9936-8678 The authors declare no conflict of interests Acknowledgements:
Supported financially by Russian Science Foundation (grant № 16-16-00080 for characterization of bacterial inoculum and biologicals, grant № 14-16-00137 for field trials, grant № 17-76-10039 for plant chemical composition assay) and Russian Foundation for Basic Research (grant № 15-04-09023 for nodulation and nitrogen fixation study). Strain deposition was fulfilled within the frame of FANO Russia Program of development and inventory of bio resources
Received November 29, 2017 doi: 10.15389/agrobiology.2018.5.977eng
Abstract
Stimulation of nitrogen-fixing symbiosis by is an important mechanism of interaction between rhizobacteria and leguminous plants. At the same time, little is known about intraspecific (varietal) variability of leguminous when responding to inoculation with rhizobacteria. Our recent model studies of hydroponic soybean seedlings showed that rhizobacteria Pseudomonas oryzihabitans Ep4 can better stimulate growth and colonize the roots of Nice Mecha and Swapa soybean plants when compared to Bara variety. The purpose of this work was to study the variety-specific responses of soybeans plants to inoculation with rhizosphere bacteria (rhizobacteria) producing auxins and containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase at various levels of plant mineral nutrition under agrocenosis conditions. The subject plants were three early ripening soybean Glycine max (L.) Merr. varieties of the northern ecotypes Nice Mecha, Swapa and Bara. Rhizobacterial strains Pseudomonas oryzihabitans Ep4 and Variovorax paradoxus 3-P4 were used for inoculation. Biopreparation rizotorfin containing a nodule bacterium Bradyrhizobium japonicum strain 634b was used for the formation of nitrogen-fixing symbiosis. Three-year field experiments were conducted in 2013-2015 years in the northernmost area of soybean cultivation (Orel region) on a dark gray forest medium-loamy soil. Mineral fertilizer 'diamofoska' was applied 7 days before sowing. Two mineral nutrition levels of N30P81K81 and N44P116K116 were used. In all treatments with rhizotorfin there was an increase in nodule biomass and nodule number, except the treatment of cultivar Bara at N30P81K81. In using lower mineral nutrition with risotorphin, the strain Ps. oryzihabitans Ep4 increased number (by 140 %) and weigh (by 176 %) of nodules and nitrogen-fixing activity (by 69 %) of Swapa plants at flowering. At a higher mineral nutrition the influence of Ps. oryzihabitans Ep4 on the legume-rhizobia symbiosis manifested by the increased nodule number on Swapa roots (by 55 %) and nitrogen-fixing activity of Bara variety (by 205 %), whereas the strain V. paradoxus 3-P4 increased nitrogen fixation of Nice Mecha (by 231 %) and Bara (by 205 %). The positive effects of both rhizobacterial strains on the plant growth at the flowering stage, as well as on the content of nutrients (Mg, Ca, B, Fe, Zn and Mo) in leaves were more pronounced on varieties Nice Mecha and Swapa at lower and/or higher mineral nutrition. At N30P81K81 the increase of shoot biomass at the flowering stage in cultivars Nice Mecha and Swapa was obtained after inoculation with monocultures of the studied rhizobacteria and after combination of rhizobacteria with rhizotorfin as well. However cultivar Bara has a positive response to mono-inoculation with rhizotorfin. At N44P116K116 a combined inoculation of cultivar Bara with rhizotorfin and strain Ps. oryzihabitans Ep4, as well as cultivar Nice Mecha with rhizotorfin and strain V. paradoxus 3-P4, was significantly more efficient as compared to mono-inoculation with rhizotorfin. As a rule, the positive effects of both rhizobacterial strains on plant growth at flowering, as well as on the content of nutrient elements (Mg, Ca, B, Fe, Zn and Mo) in leaves, were more pronounced on cultivars Nice Mecha and Swapa at a lower and/or a higher level of mineral nutrition. The maximum effect of rhizobacteria on seed yield and seed quality (protein and fat content) is also obtained by inoculation of varieties Nice Mecha and Swapa. However, variety Bara has the highest response to mineral fertilizers. The differences found between soybean varieties in the response to inoculation with plant growth-promoting rhizobacteria indicate a higher degree of integration between associative microorganisms and varieties Nice Mecha and Swapa compared to variety Bara. The results of this study indicate the promise for creating plant-microbe systems that combine a high degree of symbiotrophy and assimilation of nutrients from fertilizers and soil.
Keywords: Glycine max, Pseudomonas, Variovorax, intraspecies variability, mineral nutrition, rhizosphere, symbiotic nitrogen fixation, phytohormones, agrocenosis.
