ВЛИЯНИЕ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ СЕМЯН ТОМАТОВ Текст научной статьи по специальности «Агробиотехнологии»

, ВЛ1

W~ I/VI

МИКРОВОДОРОСЛЕИ И ЦИАНОБАКТЕРИИ " НА РОСТ И РАЗВИТИЕ СЕМЯН ТОМАТОВ

Юлия Бачура,

доцент кафедры ботаники и физиологии растений Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины, кандидат биологических наук; [email protected]

УДК 631.461:631.4бб.3:581.14:б35.б4

Аннотация. В статье содержится подробный анализ опытов, устанавливающих влияние фотосинтезирующих микроорганизмов на всхожесть и рост томатов. Автор делится наблюдениями за несколькими вариантами эксперимента с использованием двух видов биопрепаратов с соблюдением различных условий. Выводы, основанные на данных исследованиях, позволяют применять микроводоросли и цианобактерии в качестве стимулятора развития сельскохозяйственных культур как экологичный метод увеличения урожайности в аграрной отрасли. Ключевые слова: микроводоросли, цианобактерии, фотосинтезирующие микроорганизмы, рост и развитие, семена, томаты, культуральные жидкости, ресурсосбережение, экология, сельское хозяйство. Для цитирования: Бачура Ю. Влияние куртуральнойжидкости микроводорослей и цианобактерий на рост и развитие семян томатов // Наука и инновации. 2020. №9. С. 72-77. https://doi.org/10.29235/1818-9857-2020-9-72-77

Химизация и индустриализация аграрной отрасли повлекли за собой ухудшение состояния почвенного покрова, которое выражается в снижении плодородия почв, прогрессивном накоплении в них тяжелых металлов, усилении процессов эрозии, упрощении структуры агроландшафтов. Подобные изменения обусловили формирование новой концепции, направленной на применение ресурсосберегающих приемов и эколого-биосферных способов ведения сельского хозяйства [1].

Все большую актуальность приобретает использование биопрепаратов, среди которых устойчивое положение занимают средства на основе микроводорослей и цианобактерий, представляющих собой ценный возобновляемый сырьевой ресурс [2, 3]. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы обогащают почву фосфором, калием и значительным количеством микроэлементов, способствуют нако-

плению органических и минеральных форм азота; могут изменять рН почвенного раствора в сторону нейтральной реакции и повышать водоудерживаю-щую способность плодородного слоя до 50%; выделяют биологически активные вещества, ускоряющие рост корней и стимулирующие жизнедеятельность многих полезных простейших организмов; пополняют альгоцианобактериальную микрофлору; быстро разлагаются и не засоряют окружающую среду семенами [4-6].

В литературе имеются сведения о положительном влиянии водорослей и цианобактерий на рост и развитие высших растений, полученные как в странах постсоветского пространства, так и в других регионах мира [7-12]. Исследования в данной области проводятся и в Беларуси - следует отметить работы А.В. Кильчевского, С.С. Мельникова, Е.Е. Мананкиной Н.В. Шалыго.

При этом существует ряд вопросов, требующих детального изучения: в какой форме и в какие сроки оптимально внесение данных микроорганизмов, какие из них отличаются наибольшей эффективностью при обработке той или иной растительной культуры (что особенно актуально в условиях новых тенденций развития сельского хозяйства и активизации биотехнологических исследований). Исходя из всего изложенного, целью работы являлось изучение воздействия культуральной жидкости микроводорослей и цианобактерий на рост томатов.

МАТЕРИАЛЫ

И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения опытов использовали культуры эвритермного представителя, способного существовать в широком диапазоне экологических условий, Eustigmatos (Hibberd, 1981) и цианобактерии-азот-фиксатора Nostoc (Vaucher ex Bornet et Flahault, 1886).

Культивирование обоих видов микроорганизмов осуществляли на основной среде Болда (Bold basal medium - BBM) [13-15] при температуре 20±3, 10/14-часовом чередовании световой и тем-новой фаз и освещении 3500-4000 лк с барботированием в дневное время. Определение количества клеток микроводорослей и цианобактерий проводили с помощью камеры Горяева по стандартной методике [8].

В качестве тестовой культуры использовали томат (Solanum lycopersicum L.) сорта белорусской селекции «Пера-мога-165». Семена отбирали по размерам и раскладывали на двух слоях фильтровальной бумаги в пластиковые емкости по 10 штук в пятикратной повторности для каждого варианта опыта. В каждый поддон приливали по 5 мл жидкости в соответствии с условиями эксперимента: 1) контроль I (BBM); 2) контроль II (дистиллированная вода); 3) опыт I (культура водоросли или цианобактерии исходная); 4) опыт II (культура водоросли или цианобактерии, разбавленная в пропорции 1:1 дистиллированной водой). Использовали два контрольных варианта с целью выявления влияния состава среды на морфометрические показатели растений. На 5-е и 10-е сутки доливали по 2 мл жидкости в соответ-

Рис. 1. Eustigmatos magnus

ствии с вариантами опыта. Эксперимент проводили при естественном освещении без предварительного замачивания семян и с их замачиванием на один, два и четыре часа.

В ходе исследований определяли энергию прорастания и всхожесть посевного материала, измеряли морфометрические показатели проростков (масса, длина корней и побегов). Оценку и учет проросших семян проводили в соответствии с ГОСТом 12038-84 [16].

Статистическую обработку полученных данных осуществляли с помощью программных продуктов Statistica (Version 10) и Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБОБЩЕНИЕ

Одноклеточные водоросли рода Eustigmatos (вид Eustigmatos magnus (B. Petersen) D.J. Hibberd) имеют следующий таксономический статус: отдел Xantophyta, класс Eustigmatophyceae, порядок Eustigmatales, семейство Eustigmataceae [17]. Плотность клеток Eustigmatos magnus в культуре составила 29,7 млн клеток на 1 мл культуры. Клетки эустигматоса чаще всего имели шаровидную или эллипсоидную форму (рис. 1).

Представители рода Eustigmatos обнаружены в различных почвах, в том числе и антропогенно преобразованных, что свидетельствует об их высокой пластичности к неблагоприятным условиям среды. При использовании культур микроводорослей рода Eustigmatos наибольшие показатели энергии прорастания томатов отмечены в эксперименте с предварительным замачиванием семян (68-92%). В вариантах опыта с исходной и разбавленной культурами эустигматоса данный показатель увеличивался при замачивании семян на 1 и 2 часа, однако несколько снижался при 4-часовом.

Всхожесть не имела четкой зависимости от времени замачивания и варьировала в пределах от 60 до 94%. Максимальные показатели параметра отмечены в контрольных вариантах опыта с предварительным замачиванием посевного материала на 4 часа - 90-94%.

Рис.2. Сравнение морфометрических показателей проростков томатов при использовании микроводорослей рода ЕиБйдта1:оБ:

А - эксперимент без предварительного замачивания семян;

Б, В, Г - эксперименты с замачиванием семян на 1, 2 и 4 часа соответственно

Длина корней

Длина побегов

Масса проростков

Без предварительного замачивания семян максимальные показатели средней длины корней, побегов и массы проростков зафиксированы при использовании разбавленной культуры Eustigmatos (61,28 мм, 38,02 мм и 0,049 г соответственно, рис. 2). Минимальная средняя длина корней наблюдалась при работе с исходной культурой водоросли (47,60 мм), минимальные средние длина побегов и масса - с дистил-

? 100

Я ьи

го о -го

.40

- - - ^ * \ вь-

^ ч

- сиЧ 1. V см

-*-Кит1 11С\. ЙГЪ.Д! ДЗИГТ -*-Ник| мсх.ЛЗНМ

— ' ■ ^ЙП, — разу. ВВМ

Рис. 3. Влияние микроводорослей рода ЕиБйдта1:оБ на длину (А) и массу (Б) проростков томатов

лированной водой (12,36 мм; 0,020 г). Наибольшая длина корней (134 мм) отмечена в варианте опыта с дистиллированной водой, длина побегов и масса проростков - с разбавленной культурой водоросли (64 мм и 0,084 г соответственно).

При предварительном замачивании семян на 1 час максимальные показатели средней длины корней также были получены в варианте с разбавленной культурой Eustigmatos (61,34 мм); минимальные - с исходной культурой водоросли (36,88 мм). Максимум по длине корней отмечен в случаях применения разбавленной культуры Eustigmatos (105 мм). Средняя длина побегов была наибольшей в случае опыта с основной средой Болда, она составляла 23,06 мм; наименьшей - с дистиллированной водой (11,42 мм). Средняя масса проростков оказалась наибольшей при использовании разбавленной культуры Eustigmatos (0,043 г); наименьшей - в опыте с дистиллированной водой (0,020 г). Максимальная длина побегов и масса проростков зафиксированы в варианте с основной средой Болда (48 мм и 0,097 г соответственно).

При увеличении времени замачивания семян до 2 часов максимальные показатели средней длины корней также были зафиксированы в опыте с разбавленной культурой Eustigmatos (97,94 мм); минимальные - с основной средой Болда (47,42 мм). Средняя длина побегов была наибольшей при эксперименте с основной средой Болда (25,70 мм); наименьшей - в варианте с дистиллированной водой (14,18 мм). Наибольшая средняя масса проростков

выявлена при использовании разбавленной культуры Eustigmatos (0,043 г); наименьшая - в варианте с дистиллированной водой (0,024 г). Максимальная масса проростков отмечена в случае применения в опыте среды Болда (0,151 г).

В случае предварительного замачивания семян на 4 часа наблюдалось некоторое снижение средней длины корней, которое варьировалось от 27,36 мм (опыт с исходной культурой водоросли) до 53,20 мм (вариант с разбавленной культурой); максимум показателя был отмечен в варианте опыта с разбавленной культурой водоросли (105 мм). Средняя длина побега была наибольшей в эксперименте с основной средой Болда (33,52 мм); наименьшей - с исходной культурой микроводоросли (19,76 мм); максимум зафиксирован в варианте опыта с основной средой Болда (48 мм). Средняя масса проростков оказалась наибольшей при опыте с основной средой Болда и составила 0,038 г; наименьшей - с исходной культурой микроводоросли (0,024 г). Максимальная масса проростков отмечена в варианте с основной средой Болда (0,097

Сравнение фитоэффектов при использовании культур микроводоросли рода Eustigmatos (рис. 3) показало, что наибольшее стимулирующее действие на длину проростков томатов оказала разбавленная культура микроводоросли - фито-эффекты варьировали в пределах 40-90% относительно контроля с дистиллированной водой и 7-68% - с основной средой Болда; незначительное уменьшение длины проростков отмечено в эксперименте с замачиванием семян на 4 часа. Исходная культура микроводоросли оказала как положительные, так и отрицательные фитоэффекты, касающиеся длины проростков, а их массу стимулировала разбавленная культура эустигматоса: фитоэффекты варьировали в пределах 68-115% относительно контроля с водой и 2-26% - относительно основной среды Болда.

При этом оптимальные показатели получены в опытах с замачиванием семян на 1 и 2 часа. Использование исходной культуры водоросли приводило к снижению массы проростков по сравнению с основной средой Болда.

В ходе проведенных экспериментов установлено, что культура водоросли рода Eustigmatos оказывает стимулирующее действие на энергию прорастания

семян томатов без их предварительного замачивания, на длину проростков - при предварительном замачивании на 2 часа, на массу проростков - при замачивании на 1 час. Увеличение времени замачивания семян до 4 часов приводит к снижению всех фиксируемых показателей. Наибольшим стимулирующим действием обладает разбавленная культура микроводоросли, что, вероятно, обусловлено ингибирующим влиянием на рост и развитие проростков водорослевых метаболитов при их избытке.

Цианобактерии рода Nostoc имеют следующий таксономический статус: отдел Cyanobacteria, класс Cyanophyceae, порядок Nostocales, семейство Nostocaceae [18, 19]. Плотность клеток в культуре ностока составила 25,6 млн клеток на 1 мл культуры. Колонии ностока имели эллипсоидную, реже шаровидную или приплюснутую форму (рис. 4). Данные цианобактерии интересны тем, что помимо окси-генного фотосинтеза осуществляют азотфиксацию, способствуя обогащению почвы как органическим веществом, так и азотом.

При проведении экспериментов с культурой ностока энергия прорастания варьировала в пределах 42-92%. Увеличение времени замачивания семян приводило к повышению дружности всходов при работе с дистиллированной водой, основной средой Болда и разбавленной культурой ностока. Некоторое снижение энергии прорастания с увеличением времени замачивания семян отмечено при эксперименте с исходной культурой №«£ос, что, возможно, обусловлено накоплением в куль-Рис. 4. Nostoc sp. туре слизи, затрудняющей процесс прорастания. Средняя всхожесть семян составила 83%; четкой зависимости всхожести от вариантов опыта и времени замачивания не установлено.

В опытах, проводимых без предварительного замачивания семян, средние длины корней и побегов оказались наибольшими при применении разбавленной культуры Nostoc (70,92 мм и 38,54 мм), наименьшая средняя длина корней зафиксирована в опыте с исходной культурой ностока (47,86 мм), а длина побегов - с дистиллированной водой (12,36 мм, рис. 5). Максимумы по длине корней и побегов выявлены при использовании разбавленной культуры (131 мм и 54 мм соответственно), массе проростков -в варианте с основной средой Болда (0,044 г); минимум - с дистиллированной водой (0,020 г). Наиболь-

Рис.5. Сравнение морфо-метрических показателей проростков томатов при использовании цианобакте-рий рода 1\1об1:ос: А - эксперимент без предварительного замачивания семян; Б, В, Г - эксперименты с замачиванием семян на 1, 2 и 4 часа соответственно

? я.'

-ю эо

10

J0 -

Вода ,П|[СТ RBU Nose jscTi. NO5S радб.

55

г да

§50 40

30 20 10

.ЦП

30 10

ВсДд лист. &ЙМ ¡кл. ЯоИ разб.

г sd

I *

I 60 k w ■и iO JO Ю

Б-

LSo^iiiic ЕЭБМ SoiliKi. Suitlpa^.

г 70

>

I*

Л) 1«

so.

ЗОЕ

14

Длина корней

Длина побегов

Водгдап ВВМ Nwr-wsft Ни! рзэ5.

Масса проростков

шая масса проростков отмечена в опытах с основной средой Болда (0,084 г).

При проведении эксперимента с предварительным замачиванием семян на 1 час для средней длины проростков обнаружена закономерность, аналогичная проращиванию без замачивания семян: средние длины корней и побегов оказались наибольшими при работе с разбавленной культурой Nostoc

—*— иехТхда j«sr. —4—iJoit iicn..-fiBAi — ■Mostjjaio. Haju дм*. - *- -Most pniii. ЗВМ

Рис. 6. Влияние цианобактерий рода Nostoc на длину (А) и массу (Б) проростков томатов

(71,66 мм и 23,34 мм). Наименьшая средняя длина корней зафиксирована в варианте с основной средой Болда (43,12 мм), длина побегов - с дистиллированной водой (11,42 мм). К наибольшей средней массе проростков приводило использование разбавленной культуры Nostoc и основной среды Болда (0,034 г); к наименьшей - дистиллированной воды (0,020 г). Максимальный показатель длины корней выявлен при опытах с разбавленной культурой Nostoc (106 мм), длины побегов и массы проростков - с основной средой Болда (48 мм; 0,085 г).

В эксперименте с предварительным замачиванием семян на 2 часа наибольшие показатели средней длины корней и массы проростков были зафиксированы в варианте с разбавленной культурой Nostoc (75,20 мм; 0,044 г), длины побегов - с основной средой Болда (25,70 мм).

Наименьшие средние длины корней и побегов отмечены в случае применения исходной культуры цианобактерии (35,78 мм и 13,06 мм), минимальная масса - дистиллированной воды (0,025 г). Максимумы длины корней и побегов получены в варианте опыта с основной средой Болда (152 мм и 52 мм), массы проростков - с разбавленной культурой Шв^ (0,108 г).

После предварительного замачивания семян на 4 часа наибольшей средней длиной корней (63,52 мм) отличились опыты с разбавленной культурой Nostoc; средней длиной побегов и массой -с основной средой Болда (33,52 мм и 0,038 г). Наименьшие средние значения зафиксированы при работе с исходной культурой цианобактерии: длина

корней (44,10 мм), побегов (17,12 мм), масса проростков (0,024 г). Максимальная длина корней выявлена в варианте с разбавленной культурой Nostoc (109 мм), побегов и масса проростков - с основной средой Болда (52 мм; 0,081 г).

При изучении влияния культур цианобактерий рода Nostoc на длину проростков томатов наиболее ощутимые фитоэффекты наблюдались при использовании разбавленной культуры цианобактерии -34-44% относительно контроля с основной средой Болда и 30-64% - с дистиллированной водой (рис. 6). Исходная культура цианобактерии давала положительную динамику только относительно контроля с дистиллированной водой без предварительного замачивания семян и с замачиванием их на 1 час.

Сравнение влияния культур цианобактерии рода Nostoc на массу проростков томатов показало, что наибольшее положительное влияние на развитие растений оказала разбавленная культура ностока -фитоэффект относительно дистиллированной воды составил 28-100%, относительно основной среды Болда - до 13%. При использовании исходной культуры ностока положительные фитоэффекты отмечены только относительно варианта с дистиллированной водой.

Таким образом, культура цианобактерии рода Nostoc оказывает стимулирующее действие на энергию прорастания семян без их предварительного замачивания, на длину проростков томатов - при предварительном замачивании семян на 2 часа (аналогично с культурой Eustigmatos). На массу проростков повлияла только разбавленная культура ностока при предварительном замачивании на 2 часа. Увеличение времени замачивания посевного материала до 4 часов приводило к снижению всех фиксируемых показателей. Наибольшее стимулирующие воздействие на морфометрические характеристики томатов оказала разбавленная культура цианобактерии.

Проведенные лабораторные исследования выявили, что культуры микроводорослей рода Eustigmatos и цианобактерий рода Nostoc могут ускорять рост и развитие томатов. Установлено, что с этой целью оптимально использовать разбавленные культуры микроводорослей и цианобакте-рий (фитоэффекты составили 7-90% по длине проростков и 2-115% - по их массе). Обнаружено, что предварительное замачивание семян в культураль-ных жидкостях более результативно при внесении в качестве стимулятора роста эустигматоса, чем ностока; оптимальное время замачивания составляет 1-2 часа. Обнаружено, что стимулирующее действие микроводорослей рода Eustigmatos на семена

томатов выше, чем цианобактерий рода Nostoc, что связано со способностью последних к слизеобразо-ванию. Выполненное исследование создает предпосылки для дальнейшего проведения подобных экспериментов с использованием других культур высших растений, водорослей и цианобактерий с целью подбора универсального стимулятора развития сельскохозяйственных культур среди фотосинтезирую-щих микроорганизмов.

■ Summary: In the article influence of microalgae cultures of the genus Eustigmatos and cyanobacteria of the genus Nostoc on the growth and development of tomato seeds is considered. The optimality of using diluted cultures of microalgae and cyanobacteria is established. Pre-soaking seeds in culture fluids is more relevant when introduced as a stimulant for the growth of Eustigmatos cultures than Nostoc cultures; optimal soaking time is 1-2 hours. The stimulating effect of microalgae of the genus Eustigmatos on tomato seeds is higher than cyanobacteria of the genus Nostoc in the experiment is shown.

■ Key words: soil algae and cyanobacteria, tomatoes, stimulating effect, Eustigmatos, Nostoc.

■ https://doi.org/10.29235/1818-9857-2020-9-72-77

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Овсянников Ю.А. Земледелие на пороге XXI века // Биология. 2000. №12. С. 18-21.

2. Одноклеточные водоросли как возобновляемый биологический ресурс: обзор / Г.С. Минюк [и др.] // Морской экологический журнал. 2008, №7. С. 5-23.

3. Шалыго Н.В. Хозяйственно полезные виды водорослей / Н.В. Шалыго, С.С. Мельников // Наука и инновации. 2009, №3 (73). С. 34-36.

4. Цоглин Л.Н. Биотехнология микроводорослей / Л.Н. Цоглин, Н.А. Пронина. - М., 2012.

5. Лукьянов В.А. Прикладные аспекты применения микроводорослей в агроце-нозе / В.А. Лукьянов, А.И. Стифеев // Курск, 2014.

6. Михеева Т.М. Перспективы использования культивируемых и планктонных микроскопических водорослей Наука и инновации.2018. №2 (180). С. 15-19.

7. Использование некоторых видов сине-зеленых азотфиксирующих водорослей в качестве биологического удобрения / С.Н. Доброжан [и др.] // Альгология. 2014. Т. 24. №3. С. - 426-429.

8. Влияние культуральной жидкости микроводорослей на рост и развитие семян корнеплодов / Э.А. Туктарова [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. №1-2. С. 127-130.

9. Role of blue green algae in rice productivity / Y.P. Paudel [et al.] // Agriculture and Biology Journal of North America. 2012. V.3. №8. P. 332-335.

10. Blue-green algal treatment and inoculation had no significant effect on rice yield in an acidic wetland soil / P.M. Reddy [et al.] // Phil. Agri. Special BGA ISSUE. 1986. V.69. P. 629-632.

11. Нгуен Тхи Куй. Морфологические и физиологические особенности сине-зеленой водоросли Hapalosion fontinalis и возможности ее использования в повышении урожайности некоторых сельскохозяйственных культур: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Киев, 1987.

Статья поступила в редакцию 03.06.2020 Полный список использованных источников

ПдКЕ^Ъ http://innosfera.by/2020/09/microseaweed