К. И. Довбан; доктор сельскохозяйственных наук, профессор
| Вид материала | Монография |
- Ветеринария. – 2011. №1(17). – С. 20-21 Нужен ли нам сегодня новый аграрно-технический, 46.59kb.
- Альманах издан при поддержке народного депутата Украины, 3190.69kb.
- Новых пород свиней на полигибридной основе, 812.01kb.
- Секция интенсивных методов обучения, 2428.86kb.
- В. О. Бернацкий доктор философских наук, профессор; > А. А. Головин доктор медицинских, 5903.36kb.
- Концепция устойчивого развития общества О. В. Тарасова, доктор сельскохозяйственных, 159.66kb.
- «Слова о Полку Игореве», 3567.27kb.
- Карамаев Сергей Владимирович. Г. А. Ларионов л 25 учебно-методическое пособие, 1270.9kb.
- Координаторы программы : Торшин Сергей Порфирьевич, доктор биологических наук, профессор,, 173.26kb.
- Д. В. Петров Диапозитивы текста изготовлены в тц сфера, 1451.22kb.
7. Роль азотфиксирующих и фосфатмобилизующих микроорганизмов и эффективность их применения
Многие страны (США, Канада, Англия, Франция, Италия и др.) ставят вопрос о сокращении производства минеральных удобрений, в особенности азотных и фосфорных, а их недостаток в почве предлагают компенсировать за счет применения препаратов на основе ризосферных и ризоплановых микроорганизмов [156,157]. В Австралии, например, главное внимание уделяется бобовым культурам и усилению накопления биологического азота за счет инокуляции штаммами, обладающими высокими не только азотфиксирующими, но и конкурентными способностями, приспособленными к кислотности почв, повышенному содержанию минерального азота, недостатку молибдена, неблагоприятным температурам и т.д. В то же время рассматривается вопрос об усилении процессов несимбиотического усвоения азота [158].
В аграрно-развитых странах до 1/3 общей площади зерновых и зернобобовых культур бактеризуют диазотрофными препаратами, и за счет этого на 25–40% сокращают потребление дорогостоящих и экологически небезопасных минеральных азотных удобрений [12].
В бывшем Советском Союзе начали применять бактеризацию в 1927г., и к 1958 г. обрабатывалось около 10 млн. га посевов. В качестве инокулята был выбран Azotobacter chroococcum, потому что он фиксировал атмосферный азот, позднее использовали также один из штаммов Bacillus megaterium, потому что он активно минерализовывал органические соединения фосфора в культуральной среде. Другие бактерии, главным образом виды Pseudomonas, Clostridium, Bacillus (не В. megaterium), также использовались в качестве инокулятов, но в меньших масштабах [159].
ВНИИСХМБ (г. Пушкин) были разработаны и предложены для применения препараты мизорин, ризоагрин, ризоэнтерин, флавобактерин ассоциативных бактерий фиксирующих азот (Agrobacterium, Artrobacter, Enterobacter, Flavobacterium). При применении этих препаратов экономия минерального азота составляет 30–40 кг/га. Расход препаратов на гектарную норму высева семян – 300 г для зерновых культур и 900 г для картофеля [160].
В последние годы в России предложено много бактериальных препаратов на основе различных видов микроорганизмов. Так, например, рекомендованы к применению на основе молочнокислых бактерий препараты азовит, бактофосфин, активаторы: почвенной микрофлоры, прорастания семян, фотосинтеза, разложения стерни. Все препараты прошли медико-биологические и полевые испытания в течение нескольких лет в различных регионах России и странах СНГ. Сообщается, что каждый из них позволяет снизить нормы расхода азотных и фосфорных удобрений в 2 раза при получении урожая в тех же объемах, что и при полной норме минеральных удобрений, снижается в 2–2,5 раза уровень нитратов в продукции [161].
В Беларуси с ликвидацией в 1996 г. линии по производству бактериальных препаратов в г. Несвиже бактеризация семян сельскохозяйственных культур проводилась в ограниченных масштабах. В 2002 г. на БРУП «Гидролизный завод» (г. Бобруйск) произведена опытная партия бактериальных препаратов, а с 2004 г. осуществляется промышленный выпуск по заявкам потребителей биопрепаратов фитостимофос, ризобактерин и сапронит, разработанных в ГНУ «Институт микробиологии НАН Беларуси» [12] и зарегистрированных для применения на овощных, кормовых, зерновых и бобовых культурах [10]. Большая работа по изучению и внедрению в производство ассоциативных азотфиксаторов на основе азоспириллы проводится Н.А. Михайловской и др. в НИРУП «Институт почвоведения и агрохимии НАН Беларуси» [13].
Симбиотическая фиксация азота. Над каждым гектаром суши и водной поверхности земли содержится 80 тыс. т азота, но фактически он недоступен многим высшим растениям.
Способность бобовых к фиксации атмосферного азота посредством симбиоза с клубеньковыми бактериями очень высокая, удельный вес его от общего содержания азота в растениях может достигать 75 – 85% [15], а у люпина – до 95% [162]. Но такие показатели следует рассматривать как потенциально возможные в благоприятных условиях.
Являясь биологическим процессом, который зависит от комплекса факторов окружающей среды, азотфиксирующая деятельность бобово-ризобиального комплекса люпина, как и других бобовых культур, может быть лишь при определенных условиях. Основными составляющими эффективно функционирующей азотфиксирующей системы являются здоровые растения с хорошо развитой корневой системой и высоковирулентные штаммы клубеньковых бактерий. Первое достигается оптимизацией всех параметров агротехники возделывания культуры, второе – вследствие заражения почвы бактериальными препаратами. Во многих странах инокуляции подвергается 70–80 % посевов бобовых культур [163].
Проблема клубеньковых бактерий для люпина более актуальна, чем для других зернобобовых культур. Основная масса находящихся в почве клубеньковых бактерий не может вступать в симбиоз с корневой системой люпина. Находящиеся длительное время в почве без растения-хозяина штаммы ризобиума теряют свою активность. Этому способствует также массированное применение фунгицидов, гербицидов и инсектицидов, минеральных удобрений. Поэтому внесение в почву активных штаммов клубеньковых бактерий – обязательное условие полноценного функционирования бобово-ризобиального комплекса. С этой целью ранее использовался ризоторфин – препарат клубеньковых бактерий в стерильном торфе.
Метод инокуляции семян ризоторфином имел существенные недостатки, снижающие его эффективность. Так, сыпучий препарат ризоторфина плохо удерживался на семенах люпина. Неизбежным было снижение жизнеспособности бактерий в процессе хранения и обработки. Даже в опытных условиях потери клубеньковых бактерий при внесении их в виде ризоторфина составляли 25–27% [32].
Эффективность инокуляции симбиотическими микроорганизмами обусловлена большим количеством биологических и абиотических факторов, которые можно разделить на несколько блоков, тесно связанных друг с другом: климатические, почвенные, агротехнические, свойства клубеньковых бактерий и бобового растения. Значение каждого из них показано многими авторами [44,164,165].
В настоящее время все больше накапливается данных о том, что не все сорта бобовых и не все штаммы клубеньковых бактерий обладают высокой способностью к эффективному симбиозу. Симбиоз может быть малоэффективным, неэффективным и даже паразитическим с образованием клубеньков на корнях.
В.В. Бузмаков [77] отмечает, что эффективность нитрагина в зависимости от почвенно-климатических условий составляла 5–9% в засушливые годы, 18–40% в менее засушливые, а в годы с хорошим выпадением осадков в течение всего вегетационного периода – до 66%. Бактеризация очень эффективна при высеве люпина в новых районах возделывания или после длительного перерыва в возделывании, когда в почве отсутствуют соответствующие штаммы клубеньковых бактерий или титр их невысок. Прибавки урожайности от бактеризации в этих условиях достигают 30–40%. Доход, вычисленный на основании прибавки урожайности, не учитывает таких важных сторон положительного действия бактеризации, как дополнительное накопление растениями протеина (0,5–2 и более %) [166], увеличение размеров азотфиксации (до 300кг/га и выше) [26], последействие влияния бобовых культур на урожайность других культур севооборота [167].
На основании анализа результатов исследований Е.Н. Мишустин, В.К. Шильникова [168], С.А. Самцевич [169], Л.М. Доросинский [170], В.И. Сабельникова [171] пришли к заключению, что клубеньковые бактерии оказывают благоприятное влияние на бобовые растения не только как азотфиксаторы, но и как продуценты различного рода физиологически активных веществ. Клубеньковые бактерии способствуют накоплению β-ИУК в листьях, стеблях и корнях люпина. В работах [172–175] показана роль ауксинов и ауксиноподобных веществ, синтезируемых Rhizobium, в процессах инфицирования бобовых, формирования клубеньков, активизации роста и развития растений.
Клубеньковые бактерии в чистой культуре продуцируют значительное количество цитокинина [176,177], синтезируют гиббереллины и гиббереллиноподобные вещества [178], которые, активизируя процессы синтеза гидролитических ферментов, задерживают синтез клетчатки, что может способствовать распространению бактерий в клубеньковой ткани.
Установлено, что инокуляция семян клубеньковыми бактериями приводит к снижению поражаемости бобовых растений грибными и бактериальными болезнями. Установлено, что клубеньковые бактерии люпина и фасоли проявляют антагонистические свойства к возбудителю корневой гнили Fusarium avenaceum [179–181]. Отмечается, что инокуляция клубеньковыми бактериями уменьшает число пораженных растений на 10,3%. Клубеньковым бактериям принадлежит большая роль в уменьшении количества микроорганизмов на корнях и регулировании взаимоотношений между растением и микрофлорой [182,183].
Азотфиксация свободноживущими и ассоциативными микроорганизмами. В настоящее время известно около 200 видов микроорганизмов – представителей более 80 родов, различающихся физиологически и биохимически, но сходных в том, что их геномы содержат специфическую информацию для синтеза нитрогеназы [184]. Ацетиленовый метод показывает, что 70–80% культур бактерий, выделяемых из почвы на питательную среду, фиксируют азот [185]. Каждый вид фиксирует небольшое количество азота, но в сумме его фиксируется довольно много (в среднем 15–20 кг/га в год) [186].
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал, показывающий, что путем интродукции в ризосферу ассоциативных азотфиксаторов и ростостимулирующих бактерий можно улучшить рост и питание различных культур. Исследования по применению препаратов корневых диазотрофов на ячмене, пшенице, озимой ржи, гречихе, злаковых травостоях, яровом рапсе, картофеле, сахарной свекле, овощных культурах, просе, кукурузе, льне-долгунце и др. культурах [162,187–193] показали, что бактеризация положительно влияет на урожайность, качество получаемой продукции и заменяет около 30–40 кг/га д.в. минерального азота.
В литературе имеется ряд указаний о способности некоторых неклубеньковых бактерий повышать урожай бобовых растений в равной и даже более высокой степени по сравнению со специфическими для них клубеньковыми бактериями [194–197]. Исследователи отмечают повышенную численность в почве под бобовыми культурами свободно живущих микробов-азотфиксаторов, в частности, азотобактера [198,199].
Ж. Пошон и Г. Баржак [200] сообщают, что азотобактер оказывает благоприятное влияние на клубеньковые бактерии и стимулирует их развитие, отмечают способность азотобактера оказывать действие на слабовирулентные и малоактивные расы клубеньковых бактерий.
Почвенные микроорганизмы участвуют в питании растений, влияя на мобилизацию труднодоступных питательных веществ почвы, а также оказывают влияние на ход и интенсивность протекающих в растениях метаболических процессов, в том числе и связанных с усвоением поглощенных минеральных веществ при помощи продуцируемых физиологически активных веществ: витаминов [201], индолилуксусной кислоты [202,203], гиббереллина [204], цитокинина [205,206], антибиотиков [207].
Значение метаболитов микробов-активаторов состоит в том, что они быстро потребляются корнями растений и сразу же идут на построение в них необходимых ферментов, которые существенно активизируют процесс дыхания и весь ход обмена веществ в организме. Ускорение обмена веществ способствует более быстрому и полному использованию других элементов почвенного плодородия. Увеличиваются коэффициенты использования элементов питания растений за счет фиксации атмосферного азота, а также активизации поглощения корнями минерального азота и фосфора [203,208].
Обнаружена способность штаммов Аzospirillum lipoferum и Flavobacterium активно аккумулировать кадмий, стронций, цезий и снижать поступление токсичных элементов в инокулированные растения ячменя [209]. Применение бактериального удобрения на основе азоспириллы снижало поступление цезия-137 в растения трав в 1,4 – 1,7 раза [210]. Инокуляция корневыми диазотрофами повышала адаптогенные свойства сельскохозяйственных культур к кислой среде, к засухе и экстремальным температурам [211].
Наряду с приведенными данными о повышении урожайности многих культур и улучшении качества получаемой продукции имеются многочисленные свидетельства неэффективности инокуляции.
Несмотря на то, что инокуляция проростков риса А. lipoferum, Pseudomonas sp. приводила к ускоренному развитию растений, она не оказала влияния на содержание азота в урожае [212]. Бактеризация сорго селекционными штаммами A. brasilense в большинстве случаев не приводила ни к каким положительным результатам, и лишь в одном было обнаружено увеличение сухого веса растений на 11 – 24% и содержание азота на 9 – 39% [213]. По данным Тилера и др. [214], активность азотфиксации в ризосфере зерновых злаков при инокуляции в ряде опытов возросла, но различие между опытами и контрольными растениями в содержании азота были недостоверны.
Несмотря на многочисленные исследования, посвященные изучению взаимодействия растений с азотфиксирующими бактериями, до сих пор не удается надежно прогнозировать реакцию растений на инокуляцию [12,215].
Рассмотрим возможные причины неэффективности инокуляции.
Установлено, что эффективность функционирования искусственных растительно-бактериальных ассоциаций в значительной степени зависит от специфичной реакции различных видов и сортов растений на инокуляцию, от свойств интродуцируемых штаммов, а также от почвенно-климатических условий выращивания растений [164].
Многочисленные литературные данные, приведенные в обзоре Е.Н. Мишустина [216], показывают, что действие микробов-стимуляторов на растения отчетливее всего проявляется при посеве их на хорошо окультуренных почвах, содержащих достаточное количество всех элементов питания, необходимых растениям.
Д.Г. Звягинцев [217], Е.Н. Мишустин [218] высказывали ряд возражений против передачи генов азотфиксации доминирующим почвенным бактериям, против внесения этих бактерий в почву и обеспечения за их счет азотом растения. Попытка перестроить комплекс почвенных микроорганизмов так, чтобы этот процесс осуществлял один микроорганизм, по их мнению, обречена на неудачу. Отмечается, что в проблеме есть и еще одна трудность – микробы-азотфиксаторы одновременно являются и денитрификаторами. Поэтому в определенных условиях среды внесенные азотфиксаторы могут дать начало денитрификации. Внесение в почву дополнительного азотфиксирующего штамма имеет смысл, если, во-первых, он мог бы занять доминирующее положение и ему досталась главная часть органического вещества; во-вторых, если бы он мог фиксировать значительное количество азота; в-третьих, азотфиксация у которого не подавлялась бы в присутствии больших количеств азотсодержащих соединений во внешней среде. Указывается также, что полезно вносить микробы-продуценты физиологически активных веществ, так как они своими выделениями могут сильно воздействовать на окружающую среду даже в том случае, если они не доминируют, а занимают достаточно скромное положение. Это могут быть микробы сверхсинтетики, но они должны быть генетически стабильными и не ревертировать в дикие штаммы. Не все микроорганизмы, синтезирующие определенные физиологически активные вещества, присутствуют в почве, по крайней мере, в легко определяемом количестве, поэтому внесение их может быть легко обосновано.
Одной из возможных причин низкой отзывчивости растений на инокуляцию называют существующий антагонизм между растениями и микроорганизмами. Первым на это обратил внимание К.А. Тимирязев в 1885г. в своей работе «Растение – сфинкс» [219]. С.А. Самцевич [220] отмечает, что как только растение по тем или иным причинам ослабевает и становится неспособным без ущерба для себя удовлетворять растущие потребности микроба, действие последнего усиливается, сапрофит по существу превращается в паразита и в конечном итоге может привести растение к гибели. Поэтому чем мощнее растение, тем более активно оно противостоит вульгарным сапрофитам и паразитам. Э. Гойман [221], В.П. Израильский [222] и другие также указывают, что между патогенными микробами и сапрофитами трудно найти границу. Все зависит от внешних условий.
Переход сапрофитов на паразитарный образ жизни, по данным В.М. Горленко [223], Д.Д. Вердеревского [224] и других, обусловливается изменением состава питательной среды. При неблагоприятных условиях роста растений паразитами могут стать даже такие микроорганизмы-симбионты, как микоризные грибы и клубеньковые бактерии. Это нередко приводит к понижению урожайности их хозяев-растений, что наблюдалось нами в 1998 году [225].
Ожидаемую реакцию растений на интродукцию ассоциативных бактерий может искажать способность образовывать ассоциации с вредной для растений микрофлорой или ингибирование активности полезных форм микроорганизмов [226].
Еще одной причиной низкой эффективности инокуляции может быть конкуренция микроорганизмов по отношению к растениям за недостающие им органические и минеральные питательные вещества, на которую указывали Ф.М. Каменский [227], П.А. Костычев [228], В.Р. Вильямс [229] и многие другие. Растение, конкурируя с микрофлорой ризосферы за минеральные элементы питания, необходимые для их роста, может пострадать первым там, где питательных веществ недостаточно, так как микроорганизмы первые и быстро усваивают их из почвенного раствора. Пример влияния микрофлоры ризосферы на содержание молибдена в растениях был описан М.В. Лутит и др. [230]. Было также доказано, что активность микроорганизмов ризосферы влечет за собой снижение поглощения других элементов, таких, как сера [231], кальций и рубидий [232].
Замена минерального азота удобрений на биологический азот еще не означает продуктивного его использования, так как метаболизм растений в значительной степени зависит и от других элементов питания, в частности, фосфора. При его недостатке азот не включается в состав белков и нуклеиновых кислот растений, а накапливается в виде нитритов и нитратов, что ухудшает качество продукции.
Фосфатмобилизующие бактерии. Валовые запасы фосфора в почве очень большие и достигают 10–12 т/га. В то же время, по оценке Е.Н. Мишустина [233], растения испытывают острый дефицит фосфора примерно на 40% пахотных земель. Основная масса фосфора в почве не участвует в его круговороте, и лишь около 1% или даже меньше включается в надземную растительность в течение вегетационного периода. Примерно столько же фосфора на 1 га содержат почвенные микроорганизмы [234]. А.М. Брагин и др. [235] показали, что общее количество органических фосфатов дерново-подзолистых слабо-, средне- и сильнооподзоленных пылевато-легкосуглинистых почв составляет 37,7–43,4% от валового. Количество гумуса и органического фосфора в пахотных почвах хорошо коррелирует.
Одним из путей дополнительного снабжения растений фосфором является микробиологическая фосфатмобилизация. Ее результатом является высвобождение из труднорастворимых фосфатов от 10 до 40% подвижной и доступной растениям Р2О5. Большая доля всей микробной популяции обладает способностью растворять нерастворимые минеральные фосфаты [236]. Установлено, что 70–80% микроорганизмов исходной почвы могут продуцировать фосфатазу [237], но чаще всего около 50% [238]. Внесение фосфорных удобрений снижает количество продуцентов фосфатазы до 20–50%.
Д.С. Хейман [234], анализируя обширный материал по этому вопросу, пришел к выводу: несмотря на то, что мобилизация микроорганизмами фосфора в почве широко распространена, однако за исключением случаев, когда микроорганизмы имеют идеальные условия, как, например, в листовой подстилке весной, освобождение ими растворимого фосфора сверх собственной потребности в нем, вероятно, лишь незначительно улучшает фосфорное питание растений. В ризосфере происходит энергичная конкуренция за субстрат (экссудат корней) и за любой освобождаемый фосфор, и корни могут испытывать недостаток доступного фосфора.
В результате исследований, выполненных в Институте сельскохозяйственной микробиологии ВАСХНИЛ еще до Великой Отечественной войны, Р.А. Менкиной был предложен бактериальный землеудобрительный препарат – фосфоробактерин. Основу его составляли бактерии Bac. megaterium var. phosphaticum, способные разлагать органические и минеральные соединения фосфора. Средние прибавки урожая при обработке данных 340 опытов составили: озимой пшеницы 10, яровой пшеницы 13, кукурузы 9, картофеля 9,5%. По сведениям Государственной географической сортосети фосфоробактерин давал положительный результат в 36% случаев [218]. Сообщалось, что бактериальные фосфатмобилизующие удобрения увеличивают урожайность в Испании [239] и неэффективны в США [240].
Е.Н. Мишустин [216], Д.Г. Звягинцев [217], М.E. Brown [241], анализируя данные опытов с фосфоробактерином, указывают на то, что в зоне корня имеется несколько миллионов бактерий на 1г почвы, представленные многими и разнообразными видами, способными разлагать труднодоступные соединения фосфора. На этом основании они подвергают сомнению необходимость внесения еще одного микроба, разрушающего труднодоступные органические и минеральные соединения фосфора, а положительное действие фосфоробактерина на растение объясняют синтезом B. megaterium ряда биологически активных веществ, среди которых имеются тиамин, пиридоксин, биотин, пантотеновая и никотиновая кислоты, витамин В12 и, очевидно, другие соединения. Попадая с культурой B. megaterium на семя, а затем и в его ткани, они благоприятно действуют на первых этапах развития и роста растений, произрастающих на достаточно богатых почвах.
А.А. Клинцаре [242], изучая микрофлору люпина, установила, что B. megaterium является одним из наиболее распространенных эпифитных микроорганизмов, выделенных с поверхности семян люпина. Бактеризация семян (P. сarnea 535, Sarcina lutea 584, B. megaterium 554) культурами эпифитных микроорганизмов увеличивала урожай зеленой массы на 57,7–63,7% в первый год и на 12,2–35,5% во второй год проведения вегетационных опытов. При этом B. megaterium 554 увеличивал численность клубеньков на корнях люпина в 4, а Sarcina lutea 584 – в 2,5 раза. Полученный эффект объясняется действием биологически активных веществ, продуцируемых микроорганизмами.
Опыты свидетельствуют об эффективности мобилизации фосфора микроорганизмами под сахарной свеклой [243]. Данные исследований В.Ф. Павловой и О.И. Горской [244] показывают, что культура Аgrobacterium radiobacter активно дефосфорелирует фитин, тем самым увеличивая содержание подвижного фосфора в почве на 54%. Инокуляция семян в вегетационном опыте, где для набивки сосудов использовали верховой, хорошо разложившийся торф, оказала положительное действие на рассаду салата. При этом оно проявилось как при полной дозе фосфорных удобрений (114%), так и при искусственно созданном дефиците фосфора (171%). Высказывается предположение, что фосфор, высвобожденный из органофосфатов торфа, более доступен для растений, чем фосфор удобрений. В вариантах с инокуляцией в растениях повышалось содержание фосфора, а вынос его увеличивался более чем в три раза. Эффективность применения фосфатмобилизующих бактерий показана на овсе и горохе [245]. Н.И. Мильто [246] установил, что клубеньковые бактерии и микроэлементы в большей мере стимулируют развитие микроорганизмов, участвующих в превращении минеральных соединений фосфора, чем бактерий, разлагающих органофосфаты.
Комплексная инокуляция. Актуальным направлением современной микробиологии, особенно в прикладном аспекте, является разработка методов исследования смешанных бактериальных культур. Одновидовые системы, как и монокультуры в сельском хозяйстве, неустойчивы для конкурентов, возбудителей болезней и т.д. – факторов, оказывающих отрицательное влияние на их функционирование в агроценозах [247]. Примером могут служить всевозможные комбинации диазотрофных микроорганизмов: с гидролитиками, хемосинтетиками, олигонитрофилами, продуцентами фитостимуляторов, фосфатмобилизующими бактериями [248]. Положительные результаты получены при бактеризации бобовых Rhizobium совместно с микоризными организмами [249].
Соответствующим подбором компонентов бактериальной ассоциации можно усилить определенное свойство микроорганизма и, таким образом, получить больший выход необходимого продукта. Так, азотфиксирующая активность Bacillus oligonitrophillus существенно усиливается при совместном культивировании с некоторыми почвенными грибами [250]. Сообщается о необычайно высокой ацетилен восстанавливающей активности ассоциации Rhizobium meliloti (культура ткани корня люцерны) и Bacillus macerans (хорошо известный свободноживущий азотфиксатор). Указывается на возможность искусственной стимуляции процесса азотфиксации и предполагается наличие подобных азотфиксирующих ассоциаций в естественных условиях [251]. В присутствии азотобактера вирулентность клубеньковых бактерий усиливается [252]. Как показали исследования Н.И. Мильто и др. [11], при бактеризации семян азотобактер развивается на корнях бобовых и способствует формированию на них более мощной ризобиальной популяции. Ж. Пошон и Г. Баржак [200] сообщают, что азотобактер оказывает благоприятное влияние на клубеньковые бактерии и стимулирует их развитие. Эти же авторы, ссылаясь на данные Харриса, отмечают способность азотобактера оказывать действие на слабовирулентные и малоактивные расы клубеньковых бактерий.
Инфекционность слабовирулентных штаммов может быть усилена присутствием более специфичных ризобиальных штаммов [253] и бактерий-спутников [254]. Об этом свидетельствуют сравнительно частые случаи двойной инокуляции клубеньков [255–257], а также обнаружение в них большого количества бактерий-спутников с весьма разнообразными физиологическими свойствами [258]. В различных типах почв Франции под бобовыми обнаружены свободноживущие нематоды, способные размножаться в ассоциации с Rhizobium, питаясь продуктами их метаболизма. Нематоды захватывают ризобии в пищеварительную трубку и, быстро перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, осуществляют рассеивание бактерий по всей массе почвы. Кроме того, нематоды выделяют вещества, стимулирующие рост Rhizobium [259].
Имеются работы, в которых констатируется факт положительного влияния азоспириллы на процесс образования клубеньков [260]. Совместная инокуляция бобовых растений клубеньковыми бактериями и азоспириллой приводит к активации одного из важных этапов формирования бобово-ризобиального симбиоза – инициации образования клубеньков. Одним из механизмов стимулирующего действия азоспириллы, по-видимому, является ее способность образовывать и выделять индолилуксусную кислоту [261]. Полагают, что гормоны играют важную роль в инфекционном процессе и развитии клубеньковой ткани.
В Германии исследуется возможность использования ассоциативных бактерий и эндомикоризы (VA-Mykorhiza грибов рода Glomus и др.) для повышения усвояемости питательных веществ, особенно фосфора, для повышения толерантности к засухе, стимуляции клубенькообразования, фиксации азота воздуха и повышения устойчивости к вредному действию почвообитающих возбудителей болезней [262,263].
За счет усиления синергических отношений ризобий с другими группами бактерий можно повысить интенсивность азотфиксации. Выявлено усиление нитрогеназной активности клубеньков при использовании ризоторфина с другими препаратами: мизарин, ризоагрин, ризоэнтерин, флавобактерин. В полевых опытах с люпином желтым урожай зеленой массы в некоторых вариантах увеличивался на 25% [264].
Преимущество инокуляции синергическими бактериальными смесями показано многими авторами на кукурузе [265], ячмене [266], яровой и озимой пшенице, картофеле [154], клевере [139,267], бобово-злаковых травосмесях [268], горохе [269]. На люпине узколистном в исследованиях И.М. Коваль [270] инокуляция семян комплексным препаратом сапронит + фитостимофос по сравнению с моноинокуляцией сапронитом обеспечила прирост урожайности семян.
Важным направлением повышения симбиотической и ассоциативной азотфиксации является создание специфичных, вирулентных, активных, экологически приспособленных штаммов клубеньковых и ассоциативных бактерий, разработка приемов их применения [165,215]. Проведенные в ГНУ «Институт микробиологии НАН Беларуси» исследования позволили обосновать основные приемы и создать новые одно- и двухкомпонентные инокуляты растений, обладающие комплексом положительных свойств и обеспечивающие повышение эффективности микробо-растительного взаимодействия [12].
Сапронит – препарат симбиотических клубеньковых бактерий люпина, титр 3–6 млрд. КОЕ/мл, субстратом-носителем которого является органический сапропель. Штамм клубеньковых бактерий имеет повышенную способность к синтезу ауксина [10].
Сапронит + Ризобактерин – бинарная смесь клубеньковых бактерий с ассоциативным диазотрофом (титр 2–2,5 млрд. жизнеспособных клеток/мл), обладающим множественным эффектом: фиксация атмосферного азота, биосинтез ИУК, подавление жизнедеятельности корневых патогенов [10].
Сапронит + Фитостимофос – бинарная смесь клубеньковых бактерий с фосфатмобилизующими бактериями с титром 6–10 млрд. жизнеспособных клеток/мл, которые продуцируют повышенное количество витаминов и аминокислот [10].
Сапронит + Ризобактерин + Фитостимофос – смесь симбиотических, ассоциативных и фосфатмобилизующих бактерий, культивируемых совместно.
Препараты рекомендуется применять для обработки семян в день сева или за 1–2 дня до посева.
Многочисленные исследования [215,271–280] показывают, что генотип растений играет ключевую роль в эффективности микроборастительного взаимодействия. Генетическое совершенствование симбиотических отношений, приводящих к повышению урожайности бобовых культур, может быть достигнуто только на основе параллельной селекции обоих симбионтов [281]. Б.М. Черемисов [282], изучая реакцию на симбиоз у 150 образцов желтого люпина из мировой коллекции ВИР, отметил, что селекция желтого люпина шла в направлении отбора форм безразличных к симбиозу. Следовательно, выявление сортов сельскохозяйственных культур, повышающих биологическую активность бактерий, является непременным условием исследований, связанных с изучением бактериальных препаратов.
Таким образом, необходимо вести дальнейшие исследования, направленные на повышение эффективности симбиоза клубеньковых бактерий с растениями люпина узколистного на уровне сорта. Одним из перспективных способов увеличения продуктивности бобовых культур является совместное применение клубеньковых бактерий с другими азотфиксирующими и фосфатмобилизующими микроорганизмами.
8. Эффективность регуляторов роста растений
при выращивании зернобобовых культур
По современным представлениям, гормональная система растений играет ключевую роль в реализации генетического кода, ответственного за последовательность морфофизиологических процессов в ходе онтогенеза [283].
В настоящее время к регуляторам роста относят природные и синтетические органические вещества, применяемые для обработки растений в целях улучшения их качества, увеличения урожайности или облегчения уборки и сохранности продукции, которые влияют на жизненные процессы растений, не оказывая в используемых концентрациях токсического действия, и не являются источниками питания [284,285]. Регуляторы роста вызывают соответствующие эффекты в исключительно малых дозах, что имеет огромное экологическое значение, а некоторые из них способны защищать растения и посевы от стрессовых воздействий окружающей среды и патогенов [286].
Обнаружено и в той или иной степени изучено около 5000 соединений (химического, микробного и растительного происхождения), обладающих регуляторным действием, но в мировой практике используется только около 50 [285].
До последнего времени общепризнанными были пять типов фитогормонов – ауксины, гиббериллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. Имеются гормоноподобные вещества двойного действия, например, брассиностероиды и обнаруженный в цветковых растениях фузикокцин. На их основе синтезировано большое количество аналогов. В производстве широко применяются физиологически активные вещества типа ретардантов, задерживающих рост растений благодаря своему влиянию на синтез фитогормонов [286,287].
В связи с широким применением интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур роль регуляторов роста растений резко возросла. Концентрация ресурсов в целях получения от них максимальной эффективности потребовала комплексного применения всех средств химизации, удобрений, пестицидов и регуляторов роста растений, определения их оптимального соотношения. Ценным свойством регуляторов роста является то, что они усиливают поступление элементов питания в корневую систему [288].
По темпам расширения производства, продажи и использования регуляторы роста превосходят все остальные химикаты, применяемые в мировом сельском хозяйстве [289]. По оценке ряда ученых в первой половине ХХI столетия за счет применения физиологически активных веществ будет получена основная прибавка урожая [290,291]. Дальнейшее значительное повышение продуктивности люпина также связывают с гормональной регуляцией процессов оплодотворения и уменьшения абортивности завязей [292,293].
Г.К. Шутовым [4] изучалось влияние различных катионов, как одно-, так и двухвалентных, их различных соотношений, витаминов, гормонов и регуляторных препаратов на обмен веществ созревающего растения люпина. Он установил, что в реакции растений люпина на внекорневые обработки физиологически активными веществами решающее значение имеет фаза развития и физиологическое состояние обрабатываемых растений люпина. Большинство прибавок урожая в опытах Г.К. Шутова находилось в пределах 2010% по отношению к контролю. Ряд изучаемых препаратов повышал семенную продуктивность люпина на 6020%. Он сделал вывод, что за реакцию растения на обработку различными препаратами и воздействие различными факторами ответственны, как минимум, два различных физиологических механизма, первый из которых, по-видимому, неспецифичен.
В результате исследований Г.К. Шутова была разработана регуляторно-питательная композиция “Ласпл”, повышающая урожайность зерна люпина на 20–30% при применении ее в течение 15–20 дней. Повышение урожая зерна люпина в основном обусловлено увеличением числа сохранившихся завязей бобов и числа сохранившихся к уборке бобов. Однако эффективность ее воздействия существенно зависела от погодных условий и почвы. Применение препарата “Вуксал” в этих же условиях повышало урожайность зерна люпина на 18–20%. В почвенно-климатических условиях Польши этот препарат показывал более высокую эффективность [293].
Процесс симбиотической азотфиксации очень энергоемок, и при создании комплекса благоприятных условий для развития растений и функционирования бобово-ризобиального симбиоза продуктивность азотфиксации лимитируется скоростью поступления фотосинтантов в клубеньки [294]. В связи с этим целесообразно использовать приемы, повышающие потенциал фотосинтеза. Один из таких приемов – применение стимуляторов роста растений.
Белорусским НИИ земледелия проведены испытания в посевах желтого кормового люпина ретардантов: феноксид, хлорхолинхлорид, кампозан, алар и нафтилуксусной кислоты (НУК). Показано, что действие этих препаратов зависит от дозы и срока обработки растений. Так, хлорхолинхлорид в дозе 7,2 кг/га, примененный на 4, 7 и 9 этапах органогенеза растений, увеличивал урожай семян на 8–15%. Положительное действие алара (1,3–2,4 кг/га) проявлялось в повышении урожая семян на 10–14% только при обработке на 7 этапе органогенеза. У растений, обработанных кампозаном (2,2–9,4 кг/га), возрастала устойчивость к полеганию, но наблюдалось усиленное ветвление, в результате чего созревание затягивалось на 10–20 сут. (особенно при опрыскивании посевов на 7 и 9 этапах органогенеза), а урожайность семян снижалась. Феноксид обеспечивал существенную прибавку урожая (11–19%) при опрыскивании на 7 этапе органогенеза. Применение НУК (0,05 кг/га) на 4 этапе органогенеза хотя и предотвращало полегание растений, увеличивало урожай незначительно (на 4%). Отмечено, что у растений желтого кормового люпина, обработанных аларом, феноксидом и кампозаном, значительно возрастала толщина склеренхимного слоя [295]. Воздействие ССС на люпин желтый изучали Р.И. Маркелова и др. [296]. Анализ данных показал, что после обработки ССС в дозе 0,25 кг/га урожай повышается не только в год обработки, но и в последующих трех поколениях.
Исходя из способности некоторых фитогормонов стабилизировать физиологические процессы и сохранять урожай в стрессовых условиях, обосновывается целесообразность проведения предупредительных обработок посевов фиторегуляторами (ССС, картолин, тебепас) за 5–7 дней до начала критического периода. Для этого обработку зернобобовых рекомендуют проводить до начала бутонизации растений. Четырехлетние опыты показали, что при нормальной влажности почвы более высокий урожай зерна формировался у растений вариантов ССС-семена (116%), КН-семена (114%) и ИУК-семена (113%). При затоплении почвы он был выше у растений варианта ССС-листья, ССС-семена, ИУК-семена и КН-семена (122–128% по отношению к необработанным при затоплении). Самая высокая стабильность урожая проявилась у растений варианта ССС-листья [295].
Отмечающаяся в опытах зависимость между количеством клубеньков и урожаем зерна еще раз доказывает их положительную роль в устойчивости растений к переувлажнению почвы, улучшении снабжения надземных органов и корней азотистыми веществами, фитогормонами, витаминами и другими биологически активными соединениями, имеющим значение в индукции и росте новых корней, а также в поддержании обмена неорганическими и органическими веществами между корневой системой и надземными органами.
как показали исследования на люпине желтом, экзогенное обогащение соцветий кинетином (двукратная обработка во время засухи и затопления) уменьшает опадание плодоэлементов и повышает семенную продуктивность у растений варианта без внесения минерального азота на 18%, а варианта с внесением 1,0 нормы азота – на 30%. При нормальном увлажнении почвы обработка соцветий кинетином увеличила урожай семян незначительно [295]. Подобный эффект получен А.И. Заболотным [6] при опрыскивании растений раствором кинетина в концентрации 20 мг/л в фазах бутонизации и цветения. Есть данные о том, что обработка всходов раствором кинетина в концентрации 50 мг/л в 2,5 раза увеличивает количество клубеньков у люпина [297].
Действие регуляторов роста на бобовые растения проявляется через изменение симбиотической азотфиксации клубеньков и физиологической активности самих растений. В опытах с соей ССС, ИУК, КН при замачивании семян в оптимальных концентрациях и обработке надземных органов ССС и кинетином увеличивалось количество клубеньков на 130–170% к контролю [295].
В.В. Заякиным [9] предложено применение композиций на основе 2–аминоизомасляной кислоты (АИМ), позволяющих увеличить зерновую продуктивность люпина на 25–30% (в отдельных опытах до 40%).
С целью повышения продуктивности люпина исследовались также гиббереллин [298], диметилсульфоксид (ДМСО) [8,299], пипольфен (гидрохлорид-(2-диметиламинопропил)-фенотиозин), ЭДТА (этиленди-амин N,N,N,N-тетрауксусной кислоты динатриевая соль), формальдегид, гидрохинон, восстановленный глютатион, гидрокортизон, аскорбиновая кислота [5], янтарная кислота [300–302], картолин [303], 3-хлорфталевый ангидрид (3-ХФА) [304], 6-БАП (6-бензил-аминопурин) [305,306], ТА-14 [307], парааминобензойная кислота [308], ХДМ [309], лентехнин (органо-минеральный комплекс высокомолекулярных соединений, полученный из горючих сланцев) [310], талгинат [311].
Несмотря на многочисленность исследований по гормональной регуляции семенной продуктивности люпина, в «Каталоге пестицидов, разрешенных для применения в Республике Беларусь на 2000–2010 годы», на нем до недавнего времени был зарегистрирован один регулятор роста – квартазин. В то время как, например, на пшенице зарегистрировано 25 регуляторов роста [10].
Квартазин. Выпускается в виде 95%-ного кр.п. Действующее вещество: (хлорид – N,N – диметил – N) – (2 – хлорэтил) – гидразиния. Проявляет рострегулирующее действие и влияет на развитие растений. Он рекомендован для применения на пшенице, ржи, тритикале, ячмене, картофеле, семенных посевах клевера лугового, яблоне, кормовом люпине. Люпин опрыскивают в фазе розетки – стеблевания или в фазу цветения 0,05–0,06% раствором препарата. Производится РНЦ «Прикладная химия» (Россия) [10], для исследований квартазин предоставлен доктором биологических наук, профессором В.П. Деевой (ГНУ «Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси»).
Квартазин синтезирован в Государственном институте прикладной химии (г. Санкт-Петербург) и обладает ретардантными свойствами. Необходимо отметить, что рекомендованная доза 0,2 кг/га обеспечивала в опытах повышение урожайности семян на 16–18% [312], а доза 0,4–0,6 кг/га – на 22,7–27,7% [313]. В то же время проведенные в БГСХА исследования влияния квартазина на урожайность желтого люпина сорта БСХА-382 не показали достоверной прибавки по сравнению с опрыскиванием чистой водой [8].
Процессы роста и развития растений контролируют не только известные пять групп, но и стероидные гормоны – брассиностероиды (БС). Они открыты в 1970 году [314]. Молекулярное строение активного начала удалось выяснить только в 1979 году [315], когда из пыльцы рапса было выделено кристаллическое вещество стероидной природы, получившее название брассинолид (БР). Он содержится практически во всех высших и низших растениях [316].
С тех пор накоплен значительный экспериментальный материал о биологическом действии этого класса фитогормонов на растения. При этом было показано, что БС обладают исключительно широким спектром биологической активности и способны влиять на различные физиологические процессы в растении. Наиболее характерным физиологическим эффектом является реакция растяжения и деления клеток, приводящая к усилению роста и накоплению биомассы в ничтожно малых концентрациях (1–200 частей на миллиард) [317], позднее было установлено, что брассиностероиды изменяют гормональный статус растения [318,319], координируя действие эндогенных фитогормонов, они не изменяют общей направленности метаболических процессов, а влияют на интенсивность их протекания. Среди многочисленных ростовых реакций наименее изученной, по мнению В.А. Хрипача и др. [320], является реакция корневой системы на воздействие БС, так как описанные результаты имеют противоречивый характер.
Брассиностероиды обладают также протекторными свойствами в условиях теплового, солевого, водного стрессов и др. неблагоприятным условиям произрастания [321–327]. Открытие данных соединений у насекомых, некоторых видов грибов и, наконец, широкое распространение в растениях говорит о том, что их функции в живом организме не только уникальны и специфичны, но и универсальны. На основе природного фитогормона 24-эпибрассинолида был создан препарат эпин, разрешенный к применению в сельском хозяйстве. Как отмечают В.А. Хрипач и др. [320], выбор оптимальной концентрации рабочего раствора препарата и сроков обработки растений является решающим условием увеличения урожайности для большинства сельскохозяйственных культур. Повышение урожайности в зависимости от культуры находится в пределах от 105 до 200%.
Эпин, 0,025% р. – препарат на основе эпибрассинолида, который относится к классу природных фитогормонов брассиностероидам. Он является биорегулятором роста и развития растений, антистрессовым адаптогеном, который повышает устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды (погодные условия, болезни, ядохимикаты и т.п.). Отличительной особенностью брассиностероидов является действие на рост и развитие растений в очень малых концентрациях. В исследованиях использовался эпибрассинолид производства Республики Беларусь [10], предоставленный заведующим лабораторией химии стероидов ГНУ «Институт биохимии НАН Беларуси» доктором химических наук, профессором В.А. Хрипачом.
В Беларуси разрешено применение эпина на десяти культурах, в том числе на ячмене, сахарной свекле, картофеле и др. Интервал рекомендуемых доз его внесения колеблется от 10 до 100 мл/га [10]. Применение этого регулятора позволило снизить нормы расхода пестицидов в 2 раза [161], снизить отрицательное влияние ядохимикатов [328], уменьшить поглощение цезия и стронция [329]. БС в концентрации 10–6–10–5М были высокоэффективны и экологически безопасны при защите растений картофеля от фитофторы [330], содействовали подавлению развития сетчатой пятнистости ячменя [331], под их влиянием повышалась выносливость картофеля к повреждению колорадским жуком [332].
Влияние брассиностероидов (БС) изучено на развитие и продуктивность различных сельскохозяйственных культур, в том числе зернобобовых [319,320]. А.В. Мироненко и др. [326,333,334] исследовали влияние брассинолида в вегетационном опыте при опрыскивании растворами (10–9–10–7) в начале цветения на физиологические процессы растений люпина. Отмечена прибавка урожая семян на одном растении.
Проявление стимулирующего эффекта возможно лишь при определенных значениях концентрации, различающихся в зависимости от вида и сорта растений, а также фазы развития. Несоответствие условий обработки указанным требованиям может приводить к отсутствию результата и даже ингибированию роста и снижению урожая. Например, в работе [335] указывается, что при концентрации 0,1 м.д. брассинолид усиливал рост и повышал сухую массу растений, в то время как увеличение концентрации до 1 м.д. приводило к некоторому замедлению роста листьев по сравнению с контролем и к уменьшению сухой массы растений сои. Урожайность повышалась при обработке растений в период бутонизации. При обработке после цветения урожайность уменьшалась. У растений сои, обработанных эпибрассинолидом (0,001–0,1м.д.), увеличивались число и масса семян с растения на 10–20% по сравнению с контролем [336]. В.С. Цыбулько и др. [337] отмечают повышение урожайности семян при применении БС у люцерны на 6–13%, у гороха на 7–9%, у сои на 5–6%.
Эффективность брассиностероидов проявляется не только в зависимости от их дозы, способа, срока применения, вида и сорта растений, но и факторов внешней среды [319,320]. Установлено, что применение эпина в дозе 25 мл/га было эффективно в сухой 1996 (ГТК – 0,6) и слабозасушливый 1999 (ГТК – 1,27) годы. Прибавка урожайности люпина узколистного на фоне P40K60 получена 0,56 и 0,15 т/га соответственно [20].
Среди экологически безопасных регуляторов роста обращает на себя внимание эмистим-С. Это регулятор роста растений природного происхождения зарегистрирован Укргосхимкомиссией (свидетельство №282 от 21.01.1997г.) как регулятор роста более 20 культур [338], в Беларуси разрешено его применение на 10 культурах [10], в том числе на пшенице, ячмене, картофеле, свекле, льне-долгунце и др. Применяется как для предпосевной обработки семян, так и для опрыскивания вегетирующих растений.
Эмистим С, 0,1% ж. (комплекс природных ростовых веществ) – регулятор роста растений природного происхождения, продукт жизнедеятельности эндофитных грибов. Получают путем культивирования микроскопических грибов – эндофитов, выделенных из корневой системы облепихи или женьшеня на искусственной питательной среде в стерильных условиях. Водно-спиртовой экстракт продуктов их жизнедеятельности является препаративной формой, разработан Институтом биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, производится АО «Высокий урожай», Украина [10].
Сообщается, что экологическая роль эмистима-С в почве обуславливается как прямым его действием на микробные ассоциации, которые способны инициировать окислительную деструкцию фунгицидов, процессы новообразования гумуса, так и опосредованным влиянием через корни растений [338]. Установлена генетическая безопасность применения эмистима на одно- и двудольных культурах [339]. Эмистим уменьшает отрицательное влияние протравителей на начальный рост проростков [340], снижает содержание нитратов и кадмия в корнеплодах столовой свеклы [341], увеличивает количество и размер клубеньков азотфиксирующих бактерий на корнях гороха [342], усиливает действие удобрений на картофеле, что позволяет снизить их дозы на 30% [343], обеспечивает существенные прибавки к урожаям озимой пшеницы, ярового ячменя, гороха, кукурузы, сахарной свеклы, картофеля, семян клевера и т.д. [344]. Однако сведений о применении эмистима на люпине узколистном обнаружить не удалось.
Широкий спектр действия препарата обусловлен наличием в его составе сбалансированной композиции – 75 физиологически активных веществ, среди которых имеются фитогормоны ауксиновой, гиббереллиновой, цитокининовой природы, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, аминокислоты, углеводы, микроэлементы. Получают эмистим С путем культивирования микроскопических грибов – эндофитов, выделенных из корневой системы растений на искусственной питательной среде в стерильных условиях. Водно-спиртовой экстракт продуктов их жизнедеятельности является препаративной формой [345]. Эмистим С позволяет не только повысить урожай, улучшить его качество, но и значительно снизить влияние отрицательных абиотических и антропогенных факторов среды, например, можно уменьшить нормы расхода пестицидов на 25–35% при обработках как семян перед посевом, так и посевов против болезней и вредителей [345].
На современном этапе регуляторы роста облегчают выполнение еще одной важной практической задачи: адаптацию растений к невыполнению ряда условий интенсивной технологии и увеличивающейся за счет антропогенных факторов разбалансированности почвенных биоценозов [345].
Большинство химических регуляторов роста обладают видо- и сортоспецифической реакцией, не исключение составляют эпин [346], эмистим [340] и квартазин [312]. Во многих странах (Чехия, Словакия, Австрия, Бельгия, Швейцария) использование регуляторов роста растений осуществляется с учетом сортовой реакции растений, что обеспечивает более целесообразное и эффективное их применение [21].
Следовательно, существует острая необходимость расширения поиска эффективных регуляторов роста на люпине узколистном с учетом сортовой отзывчивости.