Pseudomonas - Орловский государственный аграрный
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи Тычинская Ирина Леонидовна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СОРТОВ СОИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ АССОЦИАЦИЙ С АЦК-УТИЛИЗИРУЮЩИМИ РИЗОБАКТЕРИЯМИ 06.01.01 – Общее земледелие, растениеводство Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель: академик РАН Н.В. ПАРАХИН Орел – 2016 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Агрономические аспекты интродукции и сортовой специфики сои 1.2. Реализация генетического потенциала сои за счет формирования растительно-микробных симбиозов. 1.2.1. Механизмы образования PGPR и факторы эффективности азотфиксирующих симбиозов. 1.2.2. Механизмы образования PGPR и факторы эффективности ассоциативных симбиозов. 1.3. Роль АЦК-утилизирующих бактерий в формировании высокопродуктивных агроценозов сои. 1.3.1. История и механизмы влияния на растения. 1.3.2. Эффективность ассоциативных АЦК-утилизирующих бактерий 1.4. Использование биопрепаратов микробного происхождения в решении проблем экологизации и продовольственной безопасности II.УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1 Агрометеорологические условия в годы исследований 2.2 Материал исследований 2.3 Методы исследований III РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ СОИ IV СИМБИОТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ И УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ V ВЛИЯНИЕ МИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТОВ И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ VI ВЛИЯНИЕ МИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТОВ И МИНЕРАЛЬНЫХ 3 УДОБРЕНИЙ НА ПОТРЕБЛЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАСТЕНИЯМИ СОИ VII УРОЖАЙ И ЕГО КАЧЕСТВО У РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИНТРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ VIII 7.1 Качество урожая и белковая продуктивность 7.2 Доля азота воздуха в урожае ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СОИ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОМИКРОБНЫХ СИСТЕМ ВЫВОДЫ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ 4 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ РМС – растительно-микробная система РМВ – растительно-микробные взаимодействия PGPR – plant - growth promotion rhizobacteria (полезные ризосферные бактерии) АЦК – аминокислота, 1 аминоциклопропан-1-карбоксилат АЦК–утилизирующие бактерии – ассоциативные бактерии, содержащие фермент АЦК-дезаминазу, использующие АЦК как источник азотного и углеродного питания, препятствующие биосинтезу стрессового фитогормона этилена АЦК–дезаминазная активность – активность бактериального фермента 1аминоциклопропан-1-карбоксилат (АЦК) дезаминазы Ризобии – клубеньковые бактерии рода Bradyrhizobium Ризобактерии – ассоциативные ростстимулирующие бактерии Псевдомонады – ассоциативные ростстимулирующие бактерии рода Pseudomonas Симбиоз–неразделимое взаимовыгодное сожительство особей двух видов Инокуляция – предпосевная обработка семян растений микробиологическими препаратами Штамм – чистая культура определенного вида микроорганизмов, у которого изучены морфологические и физиологические особенности ФП – фотосинтетический потенциал ФС II – фотосистема II Yield – квантовый выход Кээ – коэффициент энергетической эффективности NPK 100% и 70% - норма минеральных удобрений на планируемый урожай 3т/га (N44P116K116 и N30P81K81) Белковость зерна – содержание в зерне белка (%) Масличность зерна – содержание в зерне жира (%) 5 ВВЕДЕНИЕ Воспроизводство и повышение эффективности использования в сельском хозяйстве земельных ресурсов, а также экологизация производства являются одними из основных приоритетов, обозначенных в российской Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы. Стало очевидно, что для обеспечения продовольственной безопасности страны и здоровья человека необходим переход к ресурсосберегающим технологиям, способствующим воспроизводству почвенного плодородия и повышению устойчивости агроценозов, основанным на использовании средообразующего потенциала последних(Жученко, 2009; Сытников, 2012). С этих позиций соя в большей степени соответствуют современным требованиям формирования экологического равновесия на основе биологических факторов земледелия (Давыденко, 2004; Парахин, 2006; Зотиков, 2007). Ее уникальная способность вступать в поликомпонентный симбиоз с различными группами полезной почвенной микрофлоры позволяет не только улучшать почвенные свойства, повышать урожай и его качество, но и делает ее ценным предшественником в системе севооборота, способствуя решению проблемы производства растительного белка при возможности снижения ресурсозатрат (Vance, 1998; Борисов, Штарк, Наумкина, 2005; Тихонович, Проворов, 2009; Кузмичева, Петрова, 2013). В этой связи поиск и практическое применение новых микроорганизмов с полифункциональными свойствами, которые позволят повысить экологическую устойчивость сои за счет реализации ее биологического потенциала является весьма перспективным. При этом особую актуальность представляет использование АЦК-утилизирующих ризобактерий, обладающих универсальным антистрессовым эффектом на растения. Механизмом их антистрессового воздействия является снижение ингибирующего действия этилена, интенсивно продуцируемого растениями в условиях стресса (инфекция, засуха, переувлажнение, засоление почвы, загрязнение её пестицидами, тяжёлыми 6 металлами и др.), благодаря ферменту 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат (АЦК) дезаминазе (Белимов, Сафронова, 2011). О данном фитостимулирующем действии ассоциативных ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью свидетельствуют результаты многочисленных лабораторных испытаний (Grichko, Glick, 2001; Mayak, Tirosh, Glick, 2004; Safronova, Stepanok, Engqvist, 2006; Белимов, 2012). При этом отсутствует информация об эффективности данных микроорганизмов в условиях агроценоза сои при совместном применении с клубеньковыми бактериями. Цель исследований – изучение влияния интродукции перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий на экологическую устойчивость различных сортов сои северного экотипа в условиях агроценоза Орловской области для создания биопрепаратов нового поколения. Задачи исследований: 1. Провести скрининг перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий по эффективности взаимодействия с сортами сои северного экотипа. 2. Изучить влияние перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий на формирование бобово-ризобиального симбиоза у различных сортов сои. 3. Изучить влияние перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий на фотосинтетическую активность, белковую продуктивность и экологическую устойчивость агроценозов сои в зависимости от сорта и уровня минерального питания растений. 4. Оценить влияние перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий на потребление питательных элементов растениями различных сортов сои. 5. Определить экономическую и биоэнергетическую эффективность интродукции перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий в агроценозы различных сортов сои. 7 Научная новизна. Впервые в условиях агроценоза сои проведен скрининг перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий по эффективности взаимодействия с сортами северного экотипа. Впервые показана возможность более эффективного использования агроценозами сои солнечной энергии за счет положительного эффекта АЦКутилизирующих ризобактерий на рост, минеральное питание и азотфиксирующий симбиоз. Впервые показана роль АЦК-утилизирующих ризобактерий в решении проблемы растительного белка за счет реализации средообразующего потенциала сои. Впервые с помощью новейших инструментальных методов анализа дана характеристика элементного состава растений сои и выявлено его изменение в ответ на интродукцию перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий. Впервые ростстимулирующие и защитные свойства АЦК-утилизирующих ризобактерий использовались в целях ресурсосбережения и повышения продуктивности агроценозов сои. Практическая значимость работы. Исследования вносят существенный вклад в решение проблемы ресурсосбережения и устойчивости растениеводства. Дано научное обоснование целесообразности государственной регистрации микробиологических препаратов на основе перспективных штаммов АЦКутилизирующих ризобактерий, внедрение которых позволит увеличить производство экологически безопасного соевого белка за счет стимуляции роста и активизации азотфиксирующего симбиоза растений. Разработаны элементы ресурсосберегающей сортовой агротехники сои на основе интродукции перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий совместно с биопрепаратом клубеньковых бактерий, позволяющие в условиях производства экономить до 13 т минеральных удобрений без потери урожая. Основные положения, выносимые на защиту. 8 - Сортовая специфичность сои по отношению к факторам интенсификации производства (биопрепараты и минеральные удобрения). - Роль АЦК-утилизирующих ризобактерий в повышении эффективности бобово-ризобиального симбиоза сои. - Влияние АЦК-утилизирующих ризобактерий на повышение экологической устойчивости сои на основе реализации фотосинтетического и средообразующего потенциала культуры. - Ресурсосберегающая роль АЦК-утилизирующих ризобактерий. Апробация работы и публикации. Материалы диссертации представлены и доложены на различных международных, всероссийских, региональных конкурсах: Победитель Областного конкурса на "Лучшую научно- исследовательскую работу молодых ученых - 2015" от 19 декабря 2015 года № 51; Победитель конференции IIэтапа Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации "Сельскохозяйственные науки", Курск, 16-17 апреля 2015; Призер III этапа Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства Российской Федерации в номинации "Сельскохозяйственные науки", Самара, 27 мая 2015; Победитель стипендиальной программы «БайСтади», компании «BayerCropScience», Москва, 2014г.; Международная научно - практическая конференция молодых ученых и специалистов «Повышение эффективности сельскохозяйственной науки в современных условиях», ФГБНУ ВНИИЗБК,17-18 ноября 2015 г.; Международная научно - практическая конференция «Стратегия адаптивного ресурсо- и энергосберегающего растениеводства в ХХI веке», посвященной научному наследию академика А.А. Жученко, Шатиловского Дня поля и 7-й ярмарки сортов, Орел, 7-8 июля 2014г.; 9 Международная молодежная научно практическая - конференция«Социально-экономическое развитие АПК в условиях членства России в ВТО и ЕврАзЭС», Орел,30-31октября2014 Г.; Международная конференция молодых ученых и специалистов «Генетические ресурсы зернобобовых и крупяных культур», ВНИИ ЗБК, 17-18 ноября 2014г.; Международная конференция молодых ученых и специалистов «Инновационная привлекательность производства зернобобовых и крупяных культур», ВНИИ ЗБК,10-11 октября 2013 г.; Выставка - презентация инновационных проектов молодых ученых и специалистов Центрального федерального округа и диалога с экспертами «Идеи молодых на службе человека» в рамках III Среднерусского экономического форума, Курск, 20-21 июня 2014 г.; Региональная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орел,2014, 2015, 2016гг.), дипломыII степени; Региональная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов Орел ГАУ – «Достижения науки - агропромышленному комплексу» Орел , 25-26 марта 2013, 2014г, 2015, 2016гг.; НагражденаБлагодарственным письмом за активное участие в конкурсе «ЭкоНива – Студент 2013» компании ООО «ЭкоНива-АПК Холдинг». Темы Министерства сельского хозяйства Российской Федерации: 2013 год – «Разработка технологии использования биологических мелиорантов нового поколения в посевах высокоэнергетических культур, направленной на повышение продуктивности пашни и восстановление почвенного плодородия»; 2014 год – «Исследование влияния принципов органического и ресурсосберегающего земледелия на повышение экологической устойчивости агроценозов высокоэнергетических культур в условиях изменяющего климата»; 10 2015 год – «Биологические методы получения экологически безопасного зерна сои в условиях химической мелиорации». По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в рекомендованных изданиях ВАК Минобразования РФ – 4. . 11 I.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1. Агрономические аспекты интродукции и сортовой специфики сои Соя культурная (GlycinehispidaMaxim.) – однолетнее растение семейства бобовые (Fabaceae). Соя - уникальное творение Природы. Эта белково-масличная бобовая культура значительно богаче других возделываемых растений по количеству и разнообразию содержащихся в ней компонентов, полезных для человека и животных. В ее семенах содержатся все необходимые живым организмам питательные вещества - от 30 до 45% и более ценного по аминокислотному составу белка, 20-26% высококачественного по жирно-кислотному комплексу растительного масла, 2,0-3,5% лецитина, 20-25% разнообразных сахаров и углеводов, 5% минеральных солей, около 2% фосфатидов и много витаминов. По суммарному содержанию белка и масла соя (55-60%) значительно превосходит многие другие культуры (Фетодов, 2013). Белок сои - главный компонент ее зерна. Будучи полноценным, белок сои имеет огромнейшее значение в преодолении большого белкового дефицита, который в России составляет около 1 млн т, в питании человека и кормлении животных. В семенах сои белка в 10-12 раз больше, чем в курином мясе, в 3-4 раза больше, чем в куриных яйцах, и в 2,0-2,5 раза больше, чем в говядине. Соевый белок (глицин) способен створаживаться (как белок молока), содержит все незаменимые аминокислоты в соотношении, близком к идеальному по стандартам ФАО (Баранов, 2009). - 31 книга Благодаря богатому и разнообразному химическому составу, сою широко используют как продовольственную, целебную, кормовую и техническую культуру (Посыпанов, 2006). Родиной сои является территория Восточной Азии, включающая Китай, Японию, Корею и часть Индии (Иольсон, 1932). В этих странах как культурное растение она сформировалась не менее 6-7 тысяч лет назад (Енкен, 1959). По некоторым уточненным сведениям, родиной сои является Манчьжурия и 12 равнинная часть Северного Китая, где в настоящее время распространены дикие её формы. В Китае она считалась священным растением. Деловые люди и путешественники привезли сою в другие страны, прежде всего в Корею, а затем в Японию. Первые принципы приготовления пищи из сои были разработаны в Китае в 2838 году до нашей эры (Оганесов, 1999). Традиционно в странах Востока она используется в пищу в виде ферментированных (мисо, шою, темпе, натто) и не ферментированных продуктов (молоко, сыр,юба, кори, кинако, соевые побеги) (Вилсон, 1998). Еще в древности соя использовалась как лекарство. В странах Азии салат из проростков сои используют как эффективное средство против авитаминоза. Продукты из сои применяют при простудных заболеваниях, для снятия головной боли, как жаропонижающее и противовоспалительное средство, для профилактики ожирения и сердечных заболеваний (Федотов, 2013). В Европе соя стала известна в 1712 году после того, как немецкий натуралист Э. Кемпфер посетил страны Востока и описал ее в своей книге «АтоеnitatumЕхоticum» как растение, потенциально пригодное для использования в пищу (Иольсон, 1932). Первые экспериментальные посевы появились в 1737 г. в Голландии, в 1739 г. - недалеко от Парижа, в 1804 г. - в Югославии. Большую роль в распространении этой культуры сыграла опубликованная в 1878 г. книга Хэберладта «Возможность выращивания сои в Европе». В 1883 г. в Вене было проведено совещание ученых-специалистов, посвященное сое и ее пищевым качествам. Однако и после этого культура не получила распространения в Европе. Исследования, преимущественно проводившиеся выяснению до пригодности 1920г., были определенных посвящены сортов для выращивания в некоторых климатических районах. На американском континенте в США впервые соя была выращена в 1765 г. в штате Джорджия и в 1770 г. в штате Пенсильвания. В 1898 г. в США было завезено большое количество сортообразцов из Азии и Европы, после чего началась целенаправленная селекция сои для американского континента. В 1907 г. 13 площади под соей уже составили 20 тыс. га. Затем посевы стали увеличиваться и распространяться по другим штатам благодаря благоприятному климату этой страны. В 1920 году была организована и по сей день функционирует Американская Соевая Ассоциация, обслуживающая все фермерские хозяйства, производящие сою, регулирующая заготовки и потоки сырья. В 1925 году эта культура возделывалась уже на площади 720 тыс. га. В начале 30-х годов XX века площади под соей в США превысили 1 млн. га, в 1935 г. - 2,7, в 1953 г. - 6 млн. га (Fletcheг, 1954). В 1941 г. урожай сои в США достиг 1,46-1,47 т/га, а в европейских странах увеличился с 0,56 до 0,83 т/га. После 1941-1943 гг. и вплоть до 1969 г. площади под соей в Европе ограничились вследствие низких урожаев. Но в 80-х годах XX века появилась новая волна интереса к сое. Её посевы стали быстро увеличиваться в странах Южной Америки: Бразилии, Аргентины. В настоящее время странами американского континента суммарно производится около 80 % всего мирового валового сбора соевого зерна (Баранов, 2005). Соя - весьма пластичное растение, имеющее широкий ареал распространения и возделывания в более 60 странах на пяти континентах умеренном, субтропическом и тропическом поясах. Широко возделывается она в Канаде - 1.204.700 га; Бразилии - 21.474.870 га; Индии- 7.550.000 га; США 29.943.010 га; России - 430.000 га [4]. В настоящее время соя возделывается более чем в 70 странах мира, где ее посевные площади в целом достигают 91,4 млн. га, валовой сбор более 209,6 млн.т.[8].Причем, в структуре производства всех зернобобовых культур ей отводится 85,3%. Лидирующее место в производстве этой культуры занимают США – 75,4 млн. тонн (площадь – 29,1 млн.т., урожайность – 2,5 т/га), где зерно сои,главным образом, используется в качестве сырья для производства биотоплива[2-отч.]. В России первое упоминание о сое встречается в работе известного землепроходца Василия Пояркова в описании экспедиции на Дальний Восток в 14 1643-1646гг. Деятельным сторонником сои в России стал И.Г.Подоба (1881г.), директор земского земледельческого училища в Херсонской губернии. Известный агроном И.Е.Овсинский в 1883 г. привез из Китая семена нескольких скороспелых сортов сои и высеял их в Подольской губернии. Опыт увенчался успехом, урожаи достигали 200 пудов с десятины. Акклиматизированная форма под названием "Соя ранняя Овсинского" стала широко известна. Однако первое внедрение сои в ряде районов России потерпело неудачу. Успешнее прижилась соя в Грузии, Украине, Молдавии, на Северном Кавказе (Фетодов,2013). Внедрить сою в Центрально-Черноземном регионе пытались неоднократно - в довоенные (1930-1935гг.), послевоенные (1948-1950гг.), в шестидесятые и восьмидесятые годы. Однако эти попытки были не всегда успешными. 211кн. Это обусловлено тем, что являясь культурой теплолюбивой и влаголюбивой соя способна расти и давать хороший урожай не во всех, а только в удовлетворяющих эти потребности агрометеорологических условиях. В 1906 году в Приморье сою выращивали на площади 3,2 тыс. га. Первые селекционные работы в России были начаты в период 1912-1918 гг. на Амурском опытном поле, а началом массового внедрения и распространения сои в России ученые В.Б. Енкен (1959), В.А. Золотницкий (1962) считают 1924-1927 годы. В это время началось ее промышленное освоение в Приморском, Хабаровском краях и Амурской области, где она и получает наибольшее распространение в России. До войны была создана всесоюзная организация «Союзпромсоя». Построен ряд заводов по её переработке. В этом регионе в 1968 г. на базе Амурской сельскохозяйственной опытной станции создан и ныне активно функционирует Всероссийский научно-исследовательский институт сои (г. Благовещенск Амурской области). В 20-30-е годы прошлого столетия соей заинтересовалось руководство страны. Были проведены исследования не только по возможности выращивания сои на территории Союза, но и влияние соевых продуктов на здоровье взрослых и 15 детей. Многочисленные исследования различных НИИ не выявили никаких негативных последствий употребления в пищу продуктов переработки сои. В 1931 году в Европейской части нашей страны соя уже занимала 461 тыс. га, в том числе 170 тыс. га на Северном Кавказе. Более того, её пытались возделывать не только на Северном Кавказе, но также в Поволжье и ЦентральноЧерноземной области. Но из-за летней засухи, отсутствия адаптированных к региону сортов и технологий возделывания, были получены низкие урожаи и поэтому посевы сои существенно сократились. Возникла потребность в развертывании научных исследований по агротехнике возделывания и селекции сои (Мякушко, 1984). В 30-х годах исследования по сое велись на Кубанской опытной станции ВНИИ масличных культур, на базе которой в 1947 году был организован Всесоюзный научно-исследовательский институт сои и клещевины. В 1956 году он прекратил функционирование и с 1957 года научные исследования по сое стали проводиться во ВНИИ масличных культур. Они были направлены на создание новых урожайных, адаптированных к условиям Кубани, устойчивых к болезням и вредителям сортов сои, а также на разработку приемов возделывания этой культуры (Баранов, 2005). В последующие годы, в период перестройки и реформирования начался резкий спад и площадей, и урожайности, и валового сбора. Так, на Кубани площади посевов сократились до 40 тыс. га, средняя урожайность соевогозерна за 1994-1999 годы опустилась в крае до 0,83 т/га, или почти в два раза. Началось проникновение импортных сортов сои на поля Кубани. Производство сои в России в постсоветский период постепенно уменьшалось, особенно в 90-е гг. прошлого столетия. С 1991 г. площадь посева сои быстро сократилась-с 664 до 404,5 тыс.га (1997г.), урожайность снизилась до 5,8 ц/га (1996г.), а валовый сбор сои упал с 622,2 до 280 тыс., сократившись в 2,2 раза. Интересна также информация о состоянии дел с производством сои в крестьянских и фермерских хозяйствах. Среди этого класса производителей 16 сои выделяется два региона: Амурская область и Краснодарский край (соответственно 64% и 18% площадей посевов всех частных хозяйств и 73% и 12% валового сбора). Наиболее высокая урожайность в хозяйствах это го типа достигнута в Белгородской и Амурской областях и составила 10,2 и 6,5 ц/га. Согласно данным ГВЦ Минсельхозпрода в 1998 году на специализированных маслоперерабатывающих заводах РФ было переработано 110 тыс. тонн семян сои и выработано 18,5 тыс. тонн соевого масла. Интересным фактом является то, что при таких незначительных объемах собственного производства Россия экспортирует соевое масло в размере 1, 3 тыс. тонн. В то же самое время импорт соевого масла в 1998 году в Россию превысил 100 тыс. тонн. Для собственного производства этого количества масла нам необходимо было бы свыше 600 тыс. тонн соевых бобов. В период с 1998 по 2004г. падение производства сои прекратилось, постепенно стали увеличиваться площади посева, урожайность и валовые сборы ее зерна в РФ. В 2005 г. произошел большой скачок в увеличении посевов, урожайности и валового сбора зерна сои. С этого времени наблюдается систематический рост производства сои, главным образом за счет увеличения площади посевов, как в старых, так и, особенно, в новых районах соесеяния. Так, в 2005-2010 гг. урожайность сои составила 10,4 ц/га, что лишь на 0,8ц/га (68,3%) больше, чем в предыдущем пятилетии. Поэтому среднегодовое увеличение валового производства зерновой продукции сои в 2006-2010 гг., составившее 380,6 тыс.т (81,4%) в сравнении с периодом 2001-2005гг., произошло главным образом за счет роста посевных площадей и в меньшей степени вследствие увеличения урожайности (Фабричный, 2008; Устюжанин, 2011). Основными районами выращивания сои в РФ являются: Дальневосточный ФО (Приморский, Хабаровский край, Амурская область Еврейская автономная область), Южный ФО (Краснодарский, Ставропольский края, Ростовская обл.и др.), а также Центральный ФО, Поволжский, Уральский, Сибирский федеральные 17 округа. В 2010 г. лидировал Дальневосточный регион, (72% посевов) (Федотов, 2013). Менее 1% мировых площадей и около 0,2% мирового урожая соевых бобов - вот, к сожалению, современная ситуация с производством соевых бобов в России. Аналогичные цифры для США - 40 и 50, стран Европейского Союза 1,5 и 1, Бразилии - 19 и 19, Аргентины 10 и 11,5, Китая 13 и 8,5, Индии 9 и 3,4, соответственно. Обращает на себя внимание и неблагоприятное для нашей страны соотношение выхода урожая сои с занятых ею площадей. Свидетельствует лишь о том, что до самого последнего времени этой культуре в нашей стране не уделялось должного внимания. Отрадно, однако, то, что в последнее время эта ситуация коренным образом меняется и, например, начиная с 1998 года в России преодолена тенденция к сокращению посевных площадей под этой важной продовольственной и стратегической культурой современного мира, отмечается некоторое повышение урожайности и увеличение валового сбора зерна. В последнее время, благодаря усилиям Российского Соевого союза, в стране наметился резкий подъем производства и переработки сои на кормовые цели. По сообщению его организатора, профессора А.П. Устюжанина, мощность соеперерабатывающих предприятий увеличилась в РФ с 2003 по 2009 гг.в 11 раз и достигла 3,7 млн т в год. Производство сои за этот период возросло в 3 раза. Бурно развиваются промышленные предприятия по переработке сои и полученного кормового белка для животноводства и птицеводства (Устюжанин, 2010; Устюжанин, 2011). 18 2. Реализация генетического потенциала сои за счет формирования растительно-микробных симбиозов Известно, что микробы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся в сложных и разнообразных отношенияхс другими организмами. Изучением таких взаимодействий занимается наука синэкология (от греч. syn – вместеиoikos – жилище) – экология совместного существования. Конкретные формы синэкологических взаимодействий называются симбиозами, а их участники, или партнеры – симбионтами. Впервые термин «симбиоз» (от греч. symbiosis – сожительство) - прозвучал в 1878 году в научном докладе «ErscheinungderSymbiose»немецкого ботаника и микробиолога Генриха Антона де Бари (Bary, 1879; 2009), согласно которому симбиоз – это совместная жизнь разноименных организмов, т.е. любая форма ассоциации между организмами, принадлежащими к разным видам. Вскоре после доклада, благодаря работам по микоризе немецкого микробиолога Альберта Бернхарда Франка, этот термин прочно вошел в научный обиход. В настоящее время под симбиозом понимают «ассоциации между организмами, которые способствуют либо благополучию, либо неблагополучию хотя бы одного из партнеров», благодаря американскому микробиологу МортимеруСтарру (Starr, 1975). Позднее, Смитт (D.C.Smith) и Дуглас (A.E.Douglas) в своей монографии, изданной в 1987 году, дополнительно указывают на кратковременный и перманентный характер симбиотической ассоциации.Таким образом, понятие «симбиоз» охватывает широкий круг связей от нейтральных и взаимовыгодных до антагонистических, а также разной продолжительности (Пиневич, 2009; Тихонович, 2009). Особую роль взаимоотношения для растений сельскохозяйственной и почвенных науки представляют микроорганизмов. Наиболее изученными являются три типа микробно-растительных симбиозов: микоризный симбиоз, азотфиксирующие симбиозы (например, бобово-ризобиальный) и ассоциации растений с полезными ростстимулирующими ризобактериями (plant 19 growth promoting rhizobacteria — PGPR) защитный симбиоз) (Тихонович, Проворов, 2004; Наумкина, 2005; Парахин, 2008). Симбиоз (от греч. symbiosis – сожительство) охватывает все формы совместного существования организмов разных видов, при котором партнеры вступают в непосредственное взаимодействие с внешней средой. Регуляция взаимоотношений с последней осуществляется совместными усилиями обоих организмов (Догель, 1947). В мире существует масса примеров терпимого отношения организмов друг к другу. Одним из классических примеров служит симбиоз бобовых растений с азотфиксирующими бактериями, который эволюционно сформировался очень давно (60…70 млн лет назад) и сейчас о нем можно говорить как о полноценной экологической системе. Еще до наступления нашей эры (III…I в. до н.э.) греческий философ Теофраст и римляне Катон и Варрон отмечали, что после посева бобовых культур поля становятся плодороднее (Смирнов, 1982). Позднее было доказано, что бобовые растения благоприятно воздействуют на почву в значительной мере благодаря обогащению ее азотом. К азотфиксирующим также относятся некоторые виды водных растений, например папоротник Azolla, который находится в симбиотических отношениях с цианобактериями (сине-зеленые водоросли) Anabaena azollae. Этот уникальный папоротник распространен в странах тропического и субтропического пояса. Кроме того, некоторые деревья и кустарники (ольха, облепиха) имеют в качестве азотфиксирущих симбионтов актиномицеты и эндомикоризные грибы Glomus mosseae. Стоит отметить, что термин «микориза» впервые был употреблен Франком в 1885 г., при изучении 7 семейств Березовые и Буковые (Самсонов, 1987). Именно симбиозу мы обязаны происхождением биологической азотфиксации, который имеет исключительное значение в агроэкоценозах и представляет собой глобальный процесс, обеспечивающий существование жизни на Земле. Ежегодный синтез азота, содержащегося во всех живых организмах, составляет 17,2•107 т, что в четыре раза превышает мировое промышленное производство аммиака (Баймиев, 2005; Трухина, 2005). К биологической азотфиксации способны как микроорганизмы, живущие в 20 симбиозе с высшими растениями (Rhizobium, Frankia, Nostok), так и свободноживущие (Azotobacter, Beijerinkia, Clostridium, Tolypothrix tenius). Впервые анаэробная спороносная свободноживущая бактерия, способная к фиксации азота, была выделена в 1893 г. русским ученым С.Н. Виноградским и названа им в честь великого естествоиспытателя Луи Пастера – Clostridium pasterianum. Позднее, в 1901 г., М. Бейеринк открыл свободноживущую аэробную почвенную бактерию Azotobacter chroococcum (Генкель, 1974; Трухина, 2005). В 1889 г. первые систематические наблюдения над способностью цианобактерий (Cylindrospermum, Stratonostok, Gloeotrichia) к азотфиксации были выполнены Франком. Спустя почти сорок лет Дрюсс (1928) получил чистые штаммы тех же бактерий, накапливающих азот. В последующие годы среди почвенной микрофлоры было найдено множество свободноживущих азотфиксаторов, количество которых непрерывно увеличивается. Свободноживущие азотфиксаторы являются гетеротрофами и нуждаются в углеводном источнике питания, что связывает их поселение в ризосфере и ризоплане высших растений с микроорганизмами, способными разлагать целлюлозу и другие полисахариды. Ежегодная фиксация азота этой группой диазотрофов в умеренном климате составляет всего несколько килограммов в год, тогда как клубеньковые бактерии рода Rhizobium, живущие в симбиозе с бобовыми растениями, фиксируют 100…400 кг/га атмосферного азота в год. Поэтому, последний представляет собой значительно больший научный и практический интерес для сельского хозяйства. Впервые на бобово-ризобиальный симбиоз обратил внимание французский ученый Жан-Батист Буссенго (1838), а прямые доказательства наличия азотфиксирующих микроорганизмов, живущих в симбиозе с бобовыми растениями, были получены немецкими учеными Гельригелем и Вильфартом в 1858 г. Независимо от них несколько позднее, в 1866 г., М.С. Воронин также установил этот факт. В 1888 г. голландский бактериолог Мартин Бейеринк выделил азотфиксирующий микроорганизм из клубеньков в чистой культуре, тем самым подтвердив выводы немецких ученых. Затем была показана способность ризобий инфицировать корни бобовых и вызывать образование азотфиксирующих 21 клубеньков. Сейчас известно, что почти 90% видов бобовых растений обладает способностью к симбиотической фиксации атмосферного азота. Упомянутый выше голландский ученый М. Бейеринк в 1925 г. обнаружил на корнях луговых травянистых растений, не относящихся к семейству Бобовые, образования подобные клубенькам. Микроорганизмы, выделенные из последних, относились к роду спирилл (Spirillum). Наиболее пристальное внимание на это явление обратили спустя 50 лет. Благодаря работам доктора Джоанн Доберейнер из Южной Америки, в центре событий оказались микроорганизмы рода азоспирилл (Azospirillum), которые колонизируют преимущественно злаковые растения. Подобные открытия происходили и в России, когда в 1938 г. В.Н. Ногтев обнаружил веретенообразные утолщения на корнях лисохвоста лугового. Долгое время эта находка была единственной. Лишь в 1958 г. Н.М. Савельев, работая в Сибири, идентифицировал подобные утолщения у мятлика лугового и волоснеца сибирского. Исследуя Сибирский регион, микробиологи И.Л. Клевенская и И.С.Роднюк заметили клубеньки на корнях более сотни видов однодольных растений. В 1972 г. М.З. Мачавариани доказал наличие клубеньков у многих растений, произрастающих на Кавказе, которые в основном относились к семейству Сложноцветные (Самсонов, 1987, 1990). Благодаря открытию азотфиксаторов были созданы микробные удобрения, которые стали использоваться в сельском хозяйстве. Уже в 1895 г. Хаббе и Хилтнер запатентовали препарат микробной культуры Nitragin, выпускавшийся в 17 вариантах для различных растений. Это повлекло за собой неуклонный рост научно-исследовательских работ по созданию и применению перспективных микробных препаратов для бобовых и небобовых культур в начале ХХ в. При этом эффект от их применения (на почвах, где бобовые культуры ранее не возделывались) зачастую достигал 50…100% (Кожемяков, 1982). Однако использование микробных препаратов не может дать полную гарантию получения высокого хозяйственного эффекта, так как активность и эффективность симбиоза зависит от множества экзо- и эндогенных факторов. Многочисленные исследования, проводившиеся во всем мире во второй половине ХХ в., показали, 22 что нитрогеназная активность клубеньков приблизительно в равной степени контролируется генотипами партнеров, а эффективность симбиоза зависит главным образом от генотипа растений (Хотянович, 1991; Проворов, Тихонович, 2003). В ХХ в. интенсивные методы землепользования, обеспечившие повышение урожайности сельскохозяйственных культур за счет применения удобрений, способствовали замедлению процесса активного изучения биологической фиксации молекулярного азота, но все же не остановили его. Исследованию механизма азотфиксации посвятил свою научную деятельность академик Е.Н. Мишустин, получивший в 1980 г. золотую медаль имени Д.Н. Прянишникова за цикл работ «Роль биологического азота и пути его исследования в земледелии СССР». Весомый вклад во внедрение в сельском хозяйстве научных достижений в области изучения бобово-ризобиального симбиоза внесли ученые кафедры растениеводства МСХА во главе с Г.С. Посыпановым. В нашей стране генетическими аспектами азотфиксации в целом и тройного симбиоза (бобовые + эндомикоризные грибы + клубеньковые бактерии) в частности, занимаются ученые ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург) под руководством академика И.А. Тихоновича. В результате всестороннего изучения ризосферных микроорганизмов с растениями, ими была разработана группа биопрепаратов нового поколения, которые хорошо известны практикам сельского хозяйства (экстрасол и др.). Изучению биологической азотфиксации в России, наряду с выше перечисленными, посвятили свои работы селекционеры, биологи, генетики, физиологи научно-исследовательских институтов Новосибирска, Москвы, Калуги, Орла и др. Выдающимися достижениями стали результаты исследований данного процесса, проведенные в ведущих лабораториях многих стран мира: Нидерландов, Франции, Англии, Германии, Японии, США, Южной Кореи и др. Современные разработки в области генной инженерии ведутся в направлении поиска путей переноса генов азотфиксации новым растениям, что позволило бы отказаться от применения азотных удобрений и более полно использовать биологический азот для роста эффективности сельскохозяйственного производства. Стало очевидным, что в 23 руки людей попал уникальный инструмент для увеличения продуктивности земельных угодий, обладающий неограниченными возможностями. 2.1. Механизмы образования PGPR и факторы эффективности азотфиксирующих симбиозов Для формирования эффективного симбиоза необходимо изучить требования биологии каждой симбиотической системы к параметрам основных факторов среды и с помощью агротехнических приемов обеспечить эти параметры (Жеруков, 1995; Фарниев, Посыпанов, 1996). Главным условием активного бобово-ризобиального симбиоза является наличие в почве специфичного, вирулентного, активного штамма клубеньковых бактерий, поскольку клубеньковые бактерии обладают избирательностью по отношению к растению-хозяину. Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой – видовой и даже сортовой. Специфичные штаммы одного вида обладают неодинаковой способностью проникать в корень бобового растения, т.е. неодинаковой вирулентностью (Тихонович, 2009). Не все сформировавшиеся клубеньки одинаково активно фиксируют азот воздуха. Обычно крупные клубеньки розового цвета (в зависимости от содержания леггемоглобина, открытый в 1939 г. Кибо) отличаются наиболее высокой азотфиксирующей активностью. Если культура на данном поле раньше не возделывалась, клубеньковых бактерий в почве может не быть или они могут не обладать нужными свойствами. Если культуру в хозяйстве возделывают давно, и на корнях ее образуются активные клубеньки, то инокуляция семян может оказаться малоэффективной. Обычно при инокуляции растений активными штаммами клубеньковых бактерий многочисленные клубеньки образуются на главном корне, а на боковых корнях клубеньков мало. Способность же штамма инициировать высокую интенсивность азотфиксации называют активностью штамма (Доросинский, Лазарева, 1967; Самсонов, 1990; Посыпанов, 1993; Борисевич, 1997). 24 Инокуляция семян дает неодинаковый эффект в различных условиях: иногда она бывает необходимой и обеспечивает прибавку урожая, а в некоторых случаях оказывается бесполезной(Черемисов, 1970; Базилинская, 1985; Шаин, 1990; Дробышева, 1990; Трухан, 1994; Заремба, 1963; Höflich, Wolf, 1983, 1986). Следовательно, инокуляция необходима лишь в тех случаях, когда в почве отсутствуют специфичные спонтанные бактерии. В основном это относится к интродуцируемым малораспространенным в конкретном районе культурам (лядвенец рогатый, козлятник восточный). Следующим важнейшим фактором,ограничивающим активность клубеньковых бактерий, считается кислая реакция почвы. Для большинства бобовых культур оптимальное значение рНсол находится в пределах 6,5…7,5. Доказана устойчивая специфичная реакция симбионтов на изменение рН. По мнению В.К. Шильниковой (1970), кислая реакция среды в значительной степени влияет на ультраструктуру клубеньковой ткани. Это проявляется в изменении структуры и сокращении времени активного функционирования инфекционных нитей.Как при низких, так и при высоких значениях рН ухудшаются свойства клубеньковых бактерий: снижается способность инфицирования корней, уменьшается азотфиксирующая активность (Мишустин, Шильникова, 1968; Day, Dőbereiner, 1976; Клевенская, 1977; Лапинскас, Амбразайтене, 1989;Abdalla, 1992). Другим важным фактором, определяющим величину и активность симбиотического аппарата, является влажность почвы (Варфоломеев, 1992, Мишустин, Шильникова, 1968; Sau, Minguez, 1990). Усвоение азота воздуха при низкой влажности почвы прекращается не вследствие недостатка воды в клубеньках (клубеньки сами не поглощают воду, они получают ее через корни), а из-за нехватки энергетических материалов – углеводов, которые расходуются на рост новых корешков, «ищущих» воду. Этот процесс усиливается по мере снижения влажности почвы.Этот процесс усиливается по мере нарастания засухи. В условиях недостатка влаги клубеньки не получают необходимого количества углеводов, резко снижают активность 25 азотфиксации, а затем разрушаются. Для обеспечения стабильно высокой активности симбиоза необходимо орошением поддерживать оптимальную влажность почвы, особенно в критический по водопотреблению период, а именно от начала бутонизации до полного налива семян. Избыточная влажность, как и ее недостаток, также неблагоприятна для симбиоза у сои. Из-за снижения аэрации ухудшается снабжение корневой системы растения кислородом(Фарниев, Посыпанов, 1997). В засушливые годы клубеньки формируются мелкие и неактивные или не образуются вообще. Несмотря на специфику биологии отдельных культур, для большинства из них оптимум влажности для активного бобово-ризобиального симбиоза находится в пределах от 100% ППВ до влажности разрыва капилляров (около 62% ППВ) (Посыпанов, 1983, 1986; Shamsun-Nook, 1989, Schnotz,1995). Недостаточная аэрация отрицательно влияет и на живущие в почве клубеньковые бактерии, которые, как известно, лучше размножаются при доступе кислорода (Шлегель, 1987; Посыпанов, 1993). Симбиотическая фиксация азота – аэробный процесс. Кислород связывается леггемоглобином и используется в процессе окисления углеводов с высвобождением энергии для фиксации азота. На 1 мл фиксированного азота воздуха потребляется 3 мл кислорода (Кретович, 1980; Фарниев, Посыпанов, 1997; Посыпанов, 1993; Мишустин, Шильникова, 1968; Емцев, Мишустин, 1993). Поэтому клубеньки на корнях бобовых образуются в наиболее аэрируемом слое почвы (0-10 см). Следовательно, сою необходимо размещать на рыхлых, хорошо окультуренных, незаплывающих почвах.Почвенную корку необходимо разрушать (Посыпанов, 1993; Парахин, 1997; Зимин, 1997). Важную роль во взаимоотношениях клубеньковых бактерий и бобовых растений играет температурный фактор(как водный и воздушный). Низкая положительная температура влияет, главным образом, на развитие бобового растения, приводя к снижению обеспеченности клубеньков углеводами. Сами по себе клубеньковые бактерии в меньшей степени реагируют на колебание температуры. Максимальная азотфиксация у сои наблюдается при температуре 26 воздуха 20-25°С; 10°С считается нижним порогом азотфиксации. Температура выше 30°С отрицательно влияет на процесс азотонакопления(Муха, 2005, Belimov, 2009). Требования симбиотических систем к напряженности температуры закреплены в геноме обоих симбионтов и определены экологическими условиями региона, в которых формировался вид (Лахер, 1978; Жолкевич, 1978). Мнения большинства исследователей (Федоров, 1952; Гукова, 1960; Мишустин, Шильникова, 1968; Воробьев, 1998; Коровин, 1972; Bergersen, Goodchild, 1973; Dyckmans, 1986) сводятся к тому, что нормальный, хотя и замедленный рост клубеньковых бактерий начинается при 4…6 °С, оптимум находится в пределах 20…28 °С, а при 0 и 37 °С их деятельность резко замедляется или совсем прекращается. Таким образом, клубеньковые бактерии и большинство бобовых растений, характеризуются весьма близкой реакцией на термодинамическое воздействие, сохраняют жизнеспособность в достаточно широком интервале температур, но наибольшую активность проявляют при 20…24 °С. У видов короткого фотопериодизма оптимальная температура для максимальной симбиотической азотфиксации находится в диапазоне 20…30 °С; у видов длиннодневного фотопериодизма (люцерна, клевер т.д.) средних широт этот диапазон снижается до 15…20 °С (Фарниев, 1997, Воробьев, 1998). В условиях пониженных температур задерживается процесс перехода бактерий в состояние бактероидов. В результате, клубеньки, формирующиеся при пониженных температурах, на протяжении более продолжительного времени остаются физиологически более молодыми с низкой способностью к азотфиксации (Воробьев, 1998; Гукова, 1960;Петрова, Парахин, 2000; Макарова, Рудиковская, 2003 и др.). По данным А.И. Коровина (1972), конечные размеры усвоения растениями азота воздуха уменьшаются с понижением температуры почвы и тем больше, чем продолжительнее ее действие. Рост и развитие растений зависят не только от наличия влаги в почве, но и от относительной влажности воздуха, особенно во время Оптимальная влажность воздуха составляет 75-80% (Лещенко, 1987). цветения. 27 Сочетание высокой температуры воздуха и низкой относительной влажности воздуха приводит к значительному опадению цветков и молодых бобов (Лещенко, 1987; Дроздов и др., 2003). Поступление питательных веществ в растение сои имеет свои особенности по сравнению с другими культурами. Это связано с биологией развития растений. Как высокобелковая культура соя потребляет большое количество азота, который она может брать как из почвы, так и из воздуха. При этом соотношение биологического и минерального азота зависит от многих причин, и в частности от содержания азота в почве и наличия клубеньков на корнях растений (Берестецкий и др., 1987; Каппушев и др., 1988; Крикунец, 1990а; 1990б). Мощным фактором воздействия на растение являются элементы минерального питания, вносимые в почву в виде соответствующих удобрений или внекорневым путем. Они не только входят в состав разнообразных соединений растения, но и принимают активное участие в ферментативных, энергетических процессах, оказывают значительное влияние на физико-химические свойства плазмы клеток, ее структуру, проницаемость,обводненность, вязкость, состояние воды в плазме (Рассел, 1955; Кнорре, 1998; Мartin, 1990). Соя характеризуется специфичностью питания как в количественном, так и в качественном отношении, поэтому потребляет больше питательных веществ на формирование урожая, чем другие культуры, неравномерно поглощает элементы питания по фазам роста и развития растений. -фетодов Чаще всего рост, развитие растений, урожай и его качество ограничиваются из-за недостатка таких макроэлементов как фосфор и калий. Однако различные культуры предъявляют неодинаковые требования к уровню обеспеченности ими почвы. В своей монографии А.Т. Фарниев и Г.С. Посыпанов (1997) на основании многочисленных исследований отмечают, что, например, клевер луговой (культура слабокислых и нейтральных почв) реализует свою потенциальную продуктивность при повышенной и высокой обеспеченности подвижным фосфором. Нижним порогом оптимальной обеспеченности этим элементом для 28 него является 120…150 мг/кг почвы – по Кирсанову и Чирикову, 31…45 мг/кг почвы – по Мачигину. А такие культуры как люцерна, козлятник восточный, фасоль повышают свою продуктивность при увеличении содержания подвижного фосфора с повышенного до высокого уровня (180…200 мг/кг почвы – по Кирсанову и Чирикову, 45…60 мг/кг почвы – по Мачигину). Нижний порог обеспеченности калием для этой группы культур также достаточно высок и находится в диапазоне повышенной обеспеченности. Данные выводы подтверждают работы Р.Х. Бекбулатова (1995), В.К. Борисевича (1997), Н.Г. Тазиной (1996), Л.Г. Матвеевой (1982), О.В. Рахимовой (1995). Размеры симбиотической азотфиксации у сои определяются в значительной степени условиями питания растения-хозяина, а не клубеньковых бактерий. Большое значение в активации усвоения азота растениями имеет фосфорное питание. Фиксация азота воздуха происходит при участии АТФ, главной составной частью которого является фосфор, поэтому при симбиотрофном типе питания азотом потребность сои в фосфоре выше, чем при автотрофном. Положительное действие калия на образование клубеньков и интенсивность азотфиксации связано в значительной степени с физиологической ролью калия в углеводном обмене растения. Бобовые растения, в том числе и соя, выносят с урожаем значительно больше калия, чем другие сельскохозяйственные культуры. Поэтому калийные, особенно фосфорно-калийные удобрения существенно повышают продуктивность азотфиксации. О необходимости внесения под зернобобовые культуры азотных удобрений среди ученых нет однозначного мнения, поскольку многочисленные исследования показали его угнетающее действие на симбиоз. Однако, ряд ученых утверждает, что внесение стартовой дозы минеральных удобрений просто необходима для начального развития растений. При этом, определяющим фактором является специфичность культуры и сорта (Посыпанов, 1983, 1993; Фарниев, 1997; Мишустин, Шильникова, 1968; Ленинджер, 1976; Петербургский, 1980; Mengel, 1994). Фосфорное питание улучшает симбиотрофный тип питания сои. При низком содержании фосфора клубеньков бывает мало, или они вообще не 29 образуются, а внесение фосфорных удобрений стимулирует число и крупность корневых клубеньков. Содержание фосфора в клубеньках в несколько раз превосходит содержание его в корнях ( 116,284,285-книга). Фосфорные удобрения, стимулируя развитие клубеньков на корнях, увеличивают азотфиксирующую способность и фотосинтетическую деятельность бобовых растений (10). Калий, улучшая передвижение пластических веществ в растении, способствует обеспечению симбиотической системы углеводами. Калийные удобрения, особенно в сочетании с фосфорными, существенно повышают продуктивность азотонакопления (288-книга). Особое место в симбиотических отношениях сельскохозяйственных культур занимают минеральные соединения азота. В научной литературе встречаются различные мнения по данному вопросу. Одни ученые считают, что азотфиксирующая способность может удовлетворять потребность растений в этом элементе, а азотные удобрения отрицательно действуют на азотфиксацию (Трепачев, 1980; Вавилов, 1981; Дробышева, 1985; Рао, 1986; Самсонов, 1987; Фарниев, 1987; Посыпанов, 1983, 1993; VonDerCrone, Boller, 1988). Другие же исследователи придерживаются противоположного мнения (Гукова, 1974; Князева, 1975; Weltpremiere, 1985). Влияние минерального азота на азотфиксирующую деятельность сои остается спорным. Некоторые исследователи (И.В.Козлов, М.М.Гукова) считают, что даже высокие дозы минеральных удобрений оказывают благоприятное действие на симбиоз бобовых растений и клубеньковых бактерий (Гукова, 1969, Козлов, 1962). Мнение большинства ученых сводится к рекомендации стартовой дозы азота до посева (15-30кг) (Доросинский, 1970; , Кадыров, 2004; ,Калнишыв, 1963; ,Nutman, 1956; Pate, 1961) для улучшения роста в начальный период. Другие же пришли к выводу, что азотные удобрения уменьшают как инфицирование корней клубеньковыми бактериями, так и развитие клубеньков (373,377,391,книга). 30 Из результатов полученных Дробышевой (2000) следует, что при посеве сои не инокулированным семенами она ведет себя как обычная зерновая культура с высокой отзывчивостью на азотные удобрения. Симбиозированные растения сои (при урожае 9-15 ц/га) способны полностью обеспечивать себя азотом и не нуждаются в дополнительном его внесении. Внесение же азотных удобрений снижает эффективность симбиоза, уменьшается количество клубеньков и их масса. Г.С. Посыпанов (1983, 1993) в результате многолетних опытов, проведенных с различными бобовыми культурами в различных почвенноклиматических зонах нашей страны при благоприятных и стрессовых условиях, пришел к выводу, что азотные удобрения угнетают симбиоз всех бобовых культур, задерживают образование клубеньков, сокращают продолжительность активного симбиоза, снижают активный симбиотический потенциал (АСП) тем больше, чем выше норма азота. Подобного мнения придерживаются и ученые Орловской области (Орлова, 1980). Кроме того, при внесении азотных удобрений под многолетние бобовые травы увеличивается неравномерность развития отдельных растений, усиливается изреживаемость посевов, сокращается долголетие плантации. Снижению азотфиксации в результате внесения азотных удобрений есть вполне логичное объяснение. Известно, что фиксация атмосферного азота – достаточно энергоемкий процесс, а растения не тратят зря ни одной калории энергии. Эволюция растений и животных настолько отшлифовала все грани энергетического обмена, что нет ни одного биологического процесса, который не был бы жизненно необходим для организма. Даже фиксация молекулярного азота происходит потому, что его нет в более доступных формах. Следовательно, как только появляется достаточно азота минеральных соединений, этот дорогостоящий для растений процесс прекращается (Вавилов, Посыпанов, 1981). Необходимо также отметить, что урожайность сои, как и любой другой сельскохозяйственной культуры, в существенной степени зависит от количества синтезированных продуктов фотосинтеза (Сичкарь, 1989). И 31 суммарный приход ассимилянтов связан не только с площадью листовой поверхности, но и с ее активностью. Значению фотосинтетической деятельность в процессе роста и развития посвящено немало работ (Ничипорович, 1988; Мокроносов и др., 1992). Продуктивность растений сои в значительной степени зависит от интенсивности фотосинтетической деятельности (Дозоров и др., 2007). Фотосинтетическая деятельность растений зависит от внешних факторов, интенсивность освещения, уровень СО 2, температура окружающей среды. В результате исследований некоторым авторами было установлено, что помимо перечисленных факторов на интенсивность работы фотосинтетического аппарата влияние оказывают и другие условия, например, на пшенице было показано, что фотосинтетичексая деятельность зависит от применяемых элементов технологии (Кочержинская, 2007). Как культуры высокопродуктивные зернобобовые культуры выносят с урожаем большое количество элементов питания, что и обусловливает их высокие требования к плодородию почв (Посыпанов, 1993; Вавилов, Райг, 1982; Фарниев, Посыпанов, 1997; Зимин, 1997; Парахин, 1997; Feldfutterbau, 1988). Для активного симбиоза необходима достаточная обеспеченность не только макро-, но и микроэлементами. Калий, улучшая передвижение пластических веществ в растении, способствует обеспечению симбиотической системы углеводами. Калийные удобрения, особенно в сочетании с фосфорными, существенно повышают продуктивность азотонакопления (288-книга). Кальций тоже очень важен для азотфиксации,. а не только для нейтрализации почвенной кислотности. Его дефицит ухудшает размножение клубеньковых бактерий, снижает ригидность оболочки бактериальной клетки и изменяет ее проницаемость (234). Для нормального функционирования симбиотических азотфиксирующих систем необходимы также Mg, Fe,S,Cu и другие элементы. Так, при недостатке магния нарушается размножение бактерий и снижается их жизнедеятельность. 32 Железо входит в состав железосодержащих белковых веществ - ферментов и пигментов. При отсутствии меди подавляется синтез и нарушаются функции углеводного обмена бобовых растений (292-книга). Сера и железо оказывают также благоприятное влияние на образование клубеньков и процесс азотфиксации, в частности играя несомненную роль в синтезе легоглобина. Молибден и другие микроэлементы необходимы для активной фиксации азота растениями сои (73, 202, 259, 402, 418-книга). Предпосевная обработка семян сои молибденом активизирует деятельность ризобий, в результате доля симбиотического азота в урожае возрастает на 10-15% (197-книга). Молибден особенно необходим на кислых почвах (pHсолевой вытяжки 5,3-5,4), где его внесение в 1,5- 2 раза увеличивает число и массу клубеньков на корнях сои ( 47, 105-книга). Бор тоже выполняет весьма существенную роль. В.Бренчли и Х.Торнтонвыявили что при недостатке бора в клубеньках не образуется сосудистые пучки, и вследствие этого нарушается нормальное развитие бактероидной ткани, слабо идет процесс азотфиксации -430книга. При дефиците бора резко сужается зона pH, при которой формируются клубеньки. Необходимость в боре для нормального развития бобовых растений и их симбиоза с клубеньковыми бактериями была отмечена многими исследователями -111, 375-книга Кобальт тоже необходим для азотфиксирующей деятельности бобовых растений. По некоторым данным, он заметно повышает урожай бобовых растений. 111-кн. Значительная часть кобальта аккумулируется в растворимой небелковой фракции клубеньков, образуемых эффективным штаммом клубеньковых бактерий. Легоглобин клубеньков не разрушается, если в субстрате имеется кобальт. 131кн. Ванадий и марганец оказывают значительное влияние на процесс азотоусвоения бобовыми растениями 263, дефицит которых нарушает углеводный обмен растений. 33 Х.М. Унежев и В.С. Бжеумыхов (1996) в своих опытах установили, что при внесении в почву микроэлементов масса активных клубеньков люцерны повышалась на 60 кг/га. В свою очередь Б.А. Чернов, В.Н. Чернова и Р.Х. Бекбулатов (1996) в своих исследованиях пришли к выводу, что микроудобрения, активизируя симбиотическую активность клевера лугового, обеспечивают наибольшее накопление сухого вещества к фазе бутонизации, что было на 10… 34% больше, чем в контроле. Факторы, лимитирующие симбиоз, изменяются в зависимости от зон выращивания. Так, в Центральном районе Нечерноземной зоны России главным фактором, ограничивающим активность симбиоза, является повышенная кислотность почвы, а в южных районах – влажность почвы, на некоторых почвах – недостаточная обеспеченность фосфором, на почвах с нейтральной и щелочной средой – недостаток бора, а на кислых – молибдена. Итак, создание благоприятных условий для перехода зернобобовых культур, в том числе сои, на симбиотрофный тип азотного питания – экологически безопасный и сравнительно недорогой способ интенсификации производства растительного белка за счет возобновляемых ресурсов. Важно отметить, что клубеньковые бактерии являются не единственными колонизаторами сельскохозяйственных корней, которые могут вступать в симбиотические взаимодействия с различными группами полезными почвенными микроорганизмами (ассоциативный симбиоз, арбускулярная микориза), которые благодаря комплексу полезных свойств могут оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений, позволяя адаптироваться к неблагоприятным факторам среды (Петрова,.2008). 2.2. Механизмы образования PGPR и факторы эффективности ассоциативных симбиозов Изучение ассоциативных бактерий началось в 70-х годах прошлого столетия, когда было впервые установлено, что некоторые бактерии в растительно – микробных ассоциациях способны стимулировать рост и развитие 34 растений. Это дало возможность для использования ассоциативных ризобактерий для разработки на их основе биопрепаратов и использования в сельском хозяйстве. В настоящее время спектр бактерий, оказывающих положительное влияние на растения, расширяется благодаря активным исследованиям в этой области. Но вопрос о взаимоотношениях бактерий и растений в растительномикробных ассоциациях требует фундаментального изучения[4,33]. Эффективность растительно-микробных симбиозов крайне сильно зависит от взаимодействия различных групп микроорганизмов между собой. Вероятно, поэтому более стабильное положительное действие на растения оказывают смешанные культуры (Holguinetal., 1992; Khammas, Kaiser, 1992; Sticchietal., 1998; Скворцова, 1998), обладающих широким диапазоном физиологических и экологических свойств (Верниченко с соавт., 1992; Höflichetal., 1994; Lazarovits, Nowak, 1997). Например, потенциальное увеличение роста корней и клубенькообразования овощной сои отмечено A.H. Mollaetal. (2001) при инокуляции Azospirillum brasilense (Sp7) и A. lipoferum (CCM 3863) совместно с двумя штаммами Bradyrhizobium japonicum (TAL102 и UPMR48). Широко известно, что инокуляция бобовых растений ризобиями вместе с бактериями PGPR усиливает эффект действия симбионтов (Kloepper, 1989; Burdmanetal., 1998). Так, совместное внесение бактерий Bacilluspolymyxa и ризобий, а также Azospirillum и Rhizobium увеличивало в 2-3 раза число клубеньков у растений, ускоряло их образование, способствовало повышению азотфиксации и улучшало минеральное питание (Kostovetal., 1998; Tchebotaretal., 1998; Remans, 2008). Иногда ризобии не оказывают положительного действия до тех пор, пока не будут внесены ризосферные бактерии (Бонарцева и Мышкина, 1995).Повышать в несколько раз активность азотфиксации у азоспириллы Azospirillumbrasilense (при росте на соломенном компосте) способен штамм Cellulomonassp. CS1-17, способный разлагать целлюлозу в микроаэрофильных условиях: активность возрастает до уровня 72 мг азота/г соломы (Halsall, Gibson, 1986). 35 Внесение смешанной культуры Enterobactersp. и Azospirillum brasilense приводило к большей активности азотфиксации в ризосфере, чем использование любой из этих чистых культур (Lippietal., 1992; Kaiser, 1995). Отмечался преобладающий синергетический эффект совместной инокуляции азоспириллами и микоризными грибами, что приводило к значительному увеличению урожая и содержания фосфора в надземной массе. Такая совместная инокуляция может заменить применение азотных и фосфорных удобрений (Pacovskyetal., 1988; SubbaRaoetal., 1985; Ardakani, 2011). В своих исследованиях А.П. Кожемяков и др. (2004), изучая взаимодействие 6 сортов ячменя и 12 сортов пшеницы с ассоциативными ростстимулирующими ризобактериями на различном азотном фоне (N0, N30, N60), отметил, что инокуляция и внесение удобрений были наиболее эффективны на относительно бедных азотом почвах. Отзывчивость чечевицы на инокуляцию микоризными грибами совместнос Rhizobium leguminosarum исследована S. Bala, O.S. Singh (1985) и O.S. Singh, R.S. Singh (1986) в сельскохозяйственном институте в Пенджабе (Индия). Было отмечено повышение массы, количества клубеньков и азот-фиксирующей способности. Влияние микоризного гриба было положительным на все изученные признаки при недостатке фосфора. Двойная инокуляция Rhizobium leguminosarum и Glomus fasciculatum способствовала большему поглощению N и P растениями (Kaur, Singh, 1988). Полевые исследования, проведенные на горохе, с инокуляцией грибами АМ Glomusclarum NT4 или G. mosseae NT6 как раздельно, так и совместно с десятью штаммами Rhizobium показали, что при совместной инокуляции микоризными грибами и ризобиями рост и продуктивность растений зависели от их комбинации. В некоторых случаях урожайность гороха и азотное питание при инокуляции штаммами р. Rhizobium совместно с грибами были значительно выше, по сравнению с моноинокуляцией клубеньковыми бактериями. При этом масса сухого растения коррелировала с содержанием общего азота и фосфора, указывая на повышенное азотное и фосфорное питание (XavierandGermida, 2003). 36 В литературе также имеются данные, что ингибировать рост АМГ могут ризобактерии Bacillussubtilis, подавляя активность окисления жирных кислот в проксисомах прорастающих спор и зародышевых трубок G. mosseae, снижая скорость катаболизма липидов (Requenaetal., 1999). Несмотря на очевидную перспективность применения смешанных культур ростстимулирующих недостаточно бактерий изучены, что в растениеводстве, обусловлено данные сложностью их объекты ещё получения и поддержания (Печуркин с соавт., 1990). Однако общность молекулярных механизмов, определяющих взаимодействия растений с внутриклеточными и ассоциативными симбионтами(Sanchez, 2005) позволяют надеяться на более детальное изучение бактериальных ассоциаций и расширение области их применения в ближайшие годы. Эндогенная регуляция растительно-микробных взаимодействий Для Rhizobiaceae аттрактантами служат дикарбоновые кислоты, глутамат и аспартат (флавоноиды), которые растения выделяют в ризосферу. При бобоворизобиальном симбиозе растение поставляет в клубеньки продукты фотосинтеза, образующиеся в листьях и необходимые для развития симбиотических структур, снабжения нитрогеназы энергией и ассимиляции фиксированного азота. Установлено, что для симбиотической фиксации 1 г N2 необходимо 5…10 г углерода (15-20 глюкозы). Он расходуется в качестве источника энергии и восстановителей для фиксации N 2, углеродных скелетов, ассимиляции фиксированного N2 в аминокислоты, а также на процессы роста и поддержания в активном состоянии клубеньков и бактероидов (Спайнк, 2002; Phillips, 1980). В присутствии растений происходит индукция нитрогеназной активности и у ассоциативных бактерий. Так, лектин пшеницы в низкой концентрации вызывает значительное увеличение азотфиксации Azospirillum brasilense 245 (Антонюк и др., 1997) и у Azospirillum lipoferum SpBr17 (Karpatietal., 1997). Молекулярный диалог партнеров микоризного симбиоза начинается с индукции прорастания спор АМ-гриба сигнальными факторами (вещества из 37 группы стриголактонов), выделяемыми растением (Akiyamaetal., 2005; Юрков, 2009). При этом надземные органы растения формируют с микоризованными корнями эффективные обратные связи. Одним из проявлений системной регуляции, важной для обеспечения эффективности микоризы, является стимуляция фотосинтеза сигналами, поступающими в растение от гриба. Кроме того, в условиях совместной колонизации корня различными штаммами АМгрибов хозяин проявляет способность эффективно перераспределять фотоассимиляты в пользу тех штаммов, которые наиболее активно поставляют растению фосфаты (Bever, 2006). Активность ростстимулирующих ризобактерий также находится под непосредственным контролем хозяина, в экссудатах которого содержатся питательные вещества инициирующие размножение PGPR и проявление ими биоконтрольных свойств. Например, ученые ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, установили, что наиболее интенсивный рост ризобактерий и экспрессия генов, участвующих в биоконтроле, наблюдается в том случае, если в экссудатах много органических кислот (в первую очередь, цитрата, сукцината и малата), тогда как высокое содержание моно- и дисахаридов (глюкозы, сахарозы, ксиланозы) не способствует проявлению полезных свойств PGPR (Кравченко, Леонова, 1993;Кравченко и др., 2003). На проявление ризобактериями сильного хемотаксис на органические кислоты также указывает deWeert с соавторами (2002). При этом растения способны адекватно реагировать на появление в ризосфере биоконтрольных штаммов псевдомонад, повышая экссудацию именно тех фракций органических кислот, которые обеспечивают наилучший рост и антифунгальную активность PGPR (Kamilovaetal., 2006, b). Учитывая, сопряженность микробиологической деятельности и процесса фотосинтеза, можно путем его регуляции формировать наиболее эффективные растительно-микробные системы. Фотосинтетический процесс характеризуется высокой степенью структурно-биохимической организации и регулируется как внутренними генетико-физиологическими особенностями, так и внешними условиями 38 окружающей среды (Аэров, Лихолат, 1969; Жакотэ, 1974; Романов, 1983; Федотова, Павловская, 2001). Важной особенностью, определяющей способность симбиотического аппарата бобовых культур к азотфиксации, является генетическая совместимость клубеньковых бактерий с растением – хозяином, поскольку генетические отклонения в растениях или бактериях могут привести к полной или частичной потере способности образовывать клубеньки(Тихонович, 1989). Большинство отечественных (Проворов, 1986; Сичкарь и др., 1987; Симаров и др., 1990; Марьюшкин и др., 1990,1994; Кругова и др., 1994а; Назарюк и др., 2001; Тимофеева, Кожемяков, 2003; Гамзиков, Шотт, 2005; Шабаев, 2006; Баранов, 2007; Наумкина, 2007) и зарубежных (Holl, 1983;Barnetetal., 1984;Hardarson, Zapata, 1984; Bliss, 1993;Vance, 2002) исследователей приходит к выводу, что основным направлением работ по улучшению симбиоза бобовых с ризобиями должен быть тщательный подбор бактерий не только для конкретного вида, но и сорта растений. Значительная внутривидовая изменчивость по азотфиксирующей активности установлена у различных сортов гороха (Ефимов, Воробейников, Патил, 1996; Лабынцев, 2001; Наумкина, 2007), сои (Баранов, 2007), люпина (Тимофеева, Кожемяков, 2003), многолетних бобовых трав (Парахин, 2002). Анализ различных бобово-ризобиальных систем, проведенный Н.А. Проворовым и И.А. Тихоновичем (1988, 2003, 2009) показал, что вклад генотипов партнеров в варьирование показателей симбиотической активности зависит от вида растений, изучаемого признака, а также условий опыта. Так, нитрогеназная активность клубеньков приблизительно в равной степени контролируется генотипами партнеров, тогда как эффективность симбиоза зависит главным образом от генотипа растений Генотип растений играет существенную роль и для ассоциативных симбиозов (Emtsevetal., 1989; Патыка, 1995; Tikhonovichetal, 1998). Так, под растениями с С3-типом фотосинтеза доминируют Azospirillum brasilense, а под 39 культурами с типом фотосинтеза С4 – Azospirillum lipoferum(Берестецкий, 1985; DelGalloetal., 1985; Purushothaman, Menon, 1984). Для пшеницы показано превосходство дикорастущих диплоидных форм над гексаплоидными сортами по эффективности поддержания в ризосфере PGPRбактерий: число бактериальных клеток на 1 мг углерода корневых экссудатов у диплоидов в 20-30 раз выше, чем у гексаплоидов. У дикорастущих форм и местных сортов гороха и кукурузы выявлена более высокая эффективность образования арбускулярной микоризы, чем у сортов интенсивного тина (Проворов, Тихонович, 2003). При инокуляции картофеля препаратами на основе диазотрофных бактерий эффект в значительной степени зависел от сорта картофеля (Васюк и др., 1995; Connetal., 1997). Было показано, что эффективность азоспирилл и Klebsiellaplanticola 5была выше у раннего сорта Импала, чем у позднего Атлант (Персикова, 2002). Сортоспецифичность с ассоциативными бактериями проявляется в опытах как с озимыми культурами (Чеботарь и др., 2007), так и с ячменем(Завалин и др., 2003). Усилить влияние растений на уровень азотфиксации можно изменением чередования культур (Патыка, Ермолина, 1986). В исследованиях М.Р. Шафиевой и Г.С. Касимовой (1990) установлена положительная роль севооборота в реализации азотфиксирующего потенциала как анаэробов (Clostridium), так и аэробов (Azotobacter) по отношению к монокультуре. Коновалова (1992) отмечает, что наиболее благоприятные условия для азотфиксации складываются под многолетними травами, где положительный баланс азота составляет около 140 мкг N/кг почвы/ч. Из однолетних культур наилучшие условия обеспечивает ячмень (превышение азотфиксации над денитрификацией составляет 120 мкг N/кг почвы/ч). А.М. Кунаковой (1998) впервые было установлено, что взаимодействие ассоциативных бактерий с растениями на 30% зависит от генотипа растения и на 5…10% - от генотипа бактерий, на долю агроэкологические факторы приходилось 50...90%. 40 При изучении эндомикоризных симбиозов Т.П. Юрина (2008) отмечает различную степень микоризации корней в зависимости от вида растения. Показано, что микоризациякорней у проса и кукурузы была выше, чем у пшеницы и овса. При этом прибавка в накоплении биомассы составляла 15–18 % у проса и кукурузы и8–10 % – у пшеницы и овса. Наряду с физиолого-генетической обусловленностью, активность фотосинтеза зависит и от регуляции внешних условий, напримерот увеличения концентрации диоксида углерода. При этом ученые обычно наблюдают возрастание массы клубеньков, а также интенсивности фиксации и ассимиляции азота (Посыпанов, Кошкин, 1978; Zanettietal., 1996). Увеличения СО2 в почве и приземном слое воздуха можно добиться при внесении соломы в почву, что обусловливает, с одной стороны микро-биологическую иммобилизацию почвенного азота, с другой – благоприятное влияние его на размножение клубеньковых бактерий (Мильто, 1982 Burns, Hardy, 1975; Müller, Feller, 1977). Во ВНИИ органического ЗБК эффективность удобрения на применения темно-серой соломы лесной в качестве среднесуглинистой среднеокультуренной почве изучали в течение четырех лет. При этом измельченную до 5 см солому озимой пшеницы распределяли ровным слоем по делянкам из расчета 7,5 т/га, затем проводили дискование, а через 10 дней – зяблевую вспашку на глубину 22…25 см.Результаты исследований свидетельствуют о стимулирующем действии соломы на образование клубеньков у гороха и кормовых бобов (Орлов, Гурьев, 1981).При этом доля азота, связанного из атмосферы, в общем выносе его урожаем растений увеличивается. В среднем за четыре года использования соломы в качестве удобрения количество связанного азота атмосферы в биологическом урожае гороха возросло на 6%, кормовых бобов – на 5%. Вместе с тем, ученые отмечают повышение содержания в почве целлюлозоразлагающих аэробных микроорганизмов при внесении соломы, а также уменьшение нитратного азота в почве, что связано с закреплением его микроорганизмами. Отсюда следует, что заделка соломы в почву не только не 41 оказывает отрицательного действия на зернобобовые культуры, но и способствует усилению биологической активности почвы, а также повышению эффективности бобово-ризобиального симбиоза. Обеспеченность растения основными ресурсами, например, элементами минерального питания, улучшает обще физиологическое состояние растение, а следовательно интенсивность фотосинтеза. Так, азотные удобрения в повышенных дозах ухудшают транспорт ассимилятов в корни и оказывают косвенно ингибирующее влияние на процесс азотфиксации (Варфоломеев, 1992).Большое воздействие на активность азотфиксации оказывают калийные удобрения, способствующие более интенсивному передвижению углеводов из листьев в корни к клубенькам (Посыпанов, Кошкин, 1978), а также микроудобрения (В, Мо), которые повышают интенсивность фотосинтеза сельскохозяйственных культур (Петербургский, 1981; Мокроносов, 2006).Следовательно, все процессы, снижающие интенсивность фотосинтеза, отрицательно влияют на активность симбиозов. Известно, что образование симбиозов требует значительных затрат энергии (до 20-30% продуктов фотосинтеза в случае бобовo-ризобиального симбиоза или арбускулярной микоризы). Однако эти затраты являются восполнимыми, так как при взаимодействии с симбиотическими микроорганизмами обычно наблюдается стимуляция фотосинтетической активности растений, которая часто снижается при внесении эквивалентных доз минеральных удобрений (Проворов, Тихонович, 2003, 2009). Таким образом, сопряжение метаболических микроорганизмов при формировании симбиоза донорно-акцепторных связей, которые систем растений и образует сложную систему управляют ростом и развитием растительно-микробной системы. Исследования этих связей, по мнению А.Т. Мокроносова (2006), сможет открыть возможности увеличения КПД фотосинтеза на уровне ценоза. Для ассоциативного симбиоза также необходимо проводить тщательный подбор партнеров. Макросимбионт – растение и микросимбионт – микроорганизм 42 должны быть комплементарны друг другу, то есть наилучшим образом соответствовать и взаимодействовать между собой. Ряд авторов считают, эффективность азоспирилл в большой степени зависит от происхождения бактерий, чем от их таксономической принадлежности /Dobereiner,Baldani, 1981; Boddey, Doreiner, 1982/. Это положение нашло подтверждение в результатах исследований бельгийских авторов /Reynders, Vlassak, 1982/, где на 10 сортах пшеницы азоспириллы, выделенные из одноименной культуры, давали более высокий прирост урожая, чем азоспириллы, выделенные из кукурузы. В свою очередь на кукурузе более эффективным оказался гомологический штамм A.poliferum по сравнению с линией A.brasilense, выделенной из риса (Dobereiner, Baldani, 1982). Подобные результаты наблюдались и в других опытах (Wanietal., 1985; Baldanietal., 1986), хотя есть и обратные результаты (Smithetal., 1976, 1978; Kapulniketal., 1981b; Васюк с соавт., 1989). Диапазон рН, при котором развиваются ассоциативные диазотрофы, также достаточно широк. Например, азоспириллыспособны адаптироваться к широкому диапазону pH от 3,2 до 8,5 (Charyuly, Rao, 1980; Hegasietal., 1980). В большинстве публикаций отмечается, что оптимальной для связывания атмосферного азота является нейтральная или слабокислая реакция среды. При этом наблюдаются различия по родам, видам и даже штаммам бактерий. Например, Azospirillum лучше всего развиваются при рН 6,5-7,0, Klebsiella – при 6,8-7,0, Entherobacter – при 7,0 (Мишустин, Шильникова, 1968; Мишустин и др., 1986; Baldanietal., 1985). В опытах Е.В. Надежкиной (2004) определено, что инокуляция семян яровой пшеницы Agrobacteriumradiobacter 200 (ризоагрин) обеспечивала достоверные прибавки урожая зерна и соломы при рН почвы более 5,5 и благоприятных гидротермических условиях, а реальное количества азота атмосферы, участвующее в питании растений, по мере увеличения кислотности почвы (до рН 6,5) возрастало в 4,3 раза. Е.И. Кошкин (2010) отмечает, что некоторые микоризы эффективны в почвах с низким рН., а некоторые изоляты повышают способность растений 43 поглощать элементы минерального питания, ограничивая поступление таких токсичных металлов, как Al, Mn, Fe. Уместно заметить, что на кислых почвах, при недостатке питательных веществ бобовые растения не могут обеспечить себя биологически активными веществами, которые стимулируют их рост и проявляют антимикробное действие на фитопатогенные микроорганизмы (Лапинскас, 2002). В этом случае на помощь приходят PGPR, которые даже при кислой реакции среды могут продуцировать широкий спектр антибиотиков, сидерофоров, фитогормонов (Боронин, 1998; Чеботарь, 2007). Например, рост Bacillussubtilis, обладающего фитопатогенным действием, проходит в диапазоне рН 4,5…8,0. Активность феназинов, продуцируемых Pseudomonasfluorescens сохраняется при рН 5,5-8,3 (Chin-aWoengetal., 1998). При исследовании влияния ИУК, синтезированной псевдоманадами, было показана стимуляция роста корневой системы пшеницы (Боронин, 2004), а в опытах с горохом сочетание инокуляции семян Rhizobiumс обработкой индолилуксусной кислотой активизировало нитрогеназную активность на 15…20% (Волобуева, 2008). У ассоциативных азотфиксаторов при оптимизации условий увлажнения процесс азотфиксации протекает в достаточно широком диапазоне температур, который составляет для подзолистых почв 5-25°С, а для почв лесостепной и степной зон 15-45°С. Например, для бактерий рода Azospirillum, оптимальной температурой является 25°С. При этом выявлено неодинаковое значение температуры как регулятора активности почвенных диазотрофов в различных почвах: с ростом температуры до 25-30°С отмечается слабое повышение азотфиксирующей активности в подзолистых почвах и резкое нарастание процесса азотфиксации в почвах с развитым процессом гумусообразования (Биологическая …, 1991). PGPR нормально функционируют от 15 до 45°С(Умаров, 1986; Чеботарь, 2007), причем наиболее холодостойкими считаются псевдомонады, поскольку температура 14-20°С для них оптимальна (Боронин, 1998). 44 Грибы арбускулярной микоризы хорошо развиваются в широком интервале кислотности, аэрации, влажности и температуры (Муромцев, 1992). Способность грибов многократно увеличивать адсорбционную способность корней обусловливает незаменимость микоризных симбиозов в засушливых условиях (Rai, 2005). В отличие от азотфиксирующих бактерий, АМ-грибы и ризобактерии (Pseudomonas)обладают способностью усиливать поступление фосфорных соединений в растения. Однако,микоризованные растения наиболее активно растут при низкой обеспеченности «подвижными» источниками минерального питания, тогда как стерильные – при высокой обеспеченности (Olssonetal., 2002; Aikio, Ruotsalainen, 2002). Этилен (С2Н4) – гормон старения (гормональный фактор газоподобного типа). Впервые физиологический эффект этилена на растения был описан Д. А. Нелюбовым в 1901 г. Он выявил, что в этиолированных проростках (гороха) этилен вызывает тройную реакцию стебля: ингибирование растяжения, утолщение и горизонтальную ориентацию. В 20-х гг. было показано, что этилен способен ускорять спелость плодов и регулировать процесс старения у растений. Этилен вызывает образование апикального изгиба во многих этиолированных проростках; действие света на выпрямление изгиба связано с тем, что свет ингибирует образование этилена. Этилен может также влиять на геотропизм и другие опосредованные ауксином реакции. Этилен тормозит полярный транспорт ауксина, усиливает процессы старения, опадения листьев и плодов, устраняет апикальное доминирование. Образуется этилен из серосодержащей аминокислоты метионина, который превращается в S-аденозилметионин. Затем с помощью фермента АЦК – синтазы синтезируются 1 - аминоциклопропан-1-карбоновая кислота (АЦК) и 5/метилтиоаденазин. Последний этап синтеза этилена происходит в присутствии кислорода и катализируется ферментом АЦК – оксидазой. Постоянное пополнение L-метионина происходит в результате превращения 5/- 45 метилтиоаденазина через последовательное образование 5/-метилтиорибозы, 5/метилрибозо-1-фосфат и α-кето-γ-метилтиомасляной кислоты (цикл Янга)[13,21]. Использование защитной функции симбиотических микроорганизмов с целью реализации средообразующего потенциала бобовых представляет большой интерес для сельскохозяйственной науки. Особенно перспективным является изучение ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью, которые колонизируют корни растений и используют АЦК в качестве источника питания, что приводит к снижению ее содержания и, соответственно, интенсивности биосинтеза стрессового этилена в корнях, который отрицательно влияет на формирование азотфиксирующего симбиоза с клубеньковыми бактериями и развитие растения в целом (Парахин, 2006, 2009, Парахин, Петрова, 2006). 3. Роль АЦК-утилизирующих бактерий в формировании высокопродуктивных агроценозов сои Механизмы положительного влияния ризобактерий на жизнедеятельность растений различны (14-17), и о применении этих бактерий для обработки (инокуляции) сельскохозяйственных культур накоплен огромный материал, убедительно подтверждающий эффективность такого приема получения высокого и качественного урожая (18-21). В основном изучены взаимодействия растений с азотфиксирующими ризобактериями (диазотрофами) (изоляция, экология, таксономия, хемотаксис и колонизация корней, выживаемость в почве, биохимические и молекулярные механизмы процесса азотфиксации, другие механизмы взаимодействия с растениями) (22-24). Наиболее изученные ассоциативные азотфиксаторы — бактерии родов Azospirillum, Azotobacter и Klebsiella. Показано, что ассоциативная азотфиксация при определенных условиях вносит существенный вклад в обеспечение растений азотом. Среди недавних таких исследований представляет интерес сообщение, что при инокуляции бактерией Azospirillumamazonense растения риса содержали до 27 % N2 атмосферы (25). 46 К важнейшим механизмам взаимодействия в растительно-бактериальных ассоциациях относится продуцирование бактериями фитогормонов (ауксинов, цитокининов и гиббереллинов), витаминов и других биологически активных веществ (12, 26, 27). Наибольшее внимание уделялось роли бактериальных ауксинов в стимуляции роста и питания растений, поскольку способность синтезировать индолил-3-уксусную кислоту (ИУК) широко распространена среди ризобактерий. Изучены биохимические пути и гены, ответственные за синтез ИУК, а также фенотипические эффекты экзогенных ауксинов на растения (26, 28). Показан положительный эффект бактериальных ауксинов на инициацию и удлинение корней, развитие боковых корней и корневых волосков, что может иметь значение для ускоренного роста, потребления питательных элементов и устойчивости растения к стрессам. Синтез ауксинов ризосферными микроорганизмами в значительной степени определяется составом корневых выделений, содержащих их основной метаболитический предшественник Lтриптофан (12, 26). Многие ризобактерии способны синтезировать цитокинины и гиббереллины. В качестве примера эффективной стимуляции роста растений бактериальными цитокининами можно привести эксперименты по инокуляции салата бактерией Вас. subtilis.(29).Необходимо также учитывать, что некоторые бактерии могут не только продуцировать, но и деградировать фитогормоны. Так, описаны штаммы Рs. putida, расщепляющие ИУК, что может быть использовано для снятия ингибирующего действия суперпродуцентов ИУК, к которым относятся фитопатогены, на растения (30). Однако как ризобактерии, расщепляющие фитогормоны, так и реакция растений на эту деструкцию требуют более детального изучения (31). Важную роль в образовании растительно-бактериальных ассоциаций могут играть бактериальные гликопротеины — лектины, которые участвуют в колонизации корней бактериями, а также стимулируют активность растительных ферментов и ростовые процессы (32, 33). Показано сильное ростстимулирующее действие летучих метаболитов ацетоина и 2,3-бугандиола, продуцируемых штаммами Вас. subtilisи Вас. amyloliquefaciens, в отношении Arabidopsisthaliana. 47 Стимуляция роста А. thalianaлетучими метаболитами отмечалась также у Burkholderiacepacia и Staphylococcusepidermidis. Учитывая, что спектр соединений, выделяемых бактериями в среду, чрезвычайно широк, следует ожидать сообщений о новых биологически активных веществах, положительно влияющих на метаболизм растений. Способность почвенные ризосферных фосфаты давно бактерий растворять рассматривается как труднодоступные важный механизм положительного действия на фосфорное питание растения (36). Недавно были обобщены результаты многолетних исследований по экологии, селекции и таксономии фосфатмобилизующих бактерий, а также их ассоциаций с растениями и эффективности инокуляции (37). Изучены бактериальные гены кислых фосфатаз и фитаз, расщепляющих органофосфаты, а также гены, участвующие в растворении минеральных фосфатов, например ответственные за биосинтез глюконовой кислоты (38). Многие бактерии могут повышать доступность фосфататов для растения за счет простого подкисления среды в процессе жизнедеятельности, в частности при утилизации Сахаров с образованием органических кислот. Благодаря такому неспецифическому эффекту в определенных условиях очень многие ризобактерии могут функционировать как фосфатмобилизующие. Другие механизмы, облегчающие потребление питательных элементов у растений, обнаружены при изучении их взаимодействия с бактериями рода Azospirillum. Так, инокуляция активизировала транспорт протонов из клеток корней и приводила к подкислению ризосферы, что могло мобилизовать связанные в минералах питательные элементы, в том числе фосфор. Известны азоспириллы, обладающие пектолитической активностью, что вызывает повышенную ионную проницаемость у кортикальных клеток корней. Кроме того, при инокуляции растения потребление питательных элементов может изменяться из-за их трансформации в ризосфере, например с участием бактериальной нитратредуктазы (40, 41). Важную роль в повышении доступности питательных элементов способны играть бактериальные сидерофоры — низкомолекулярные 48 вещества, хелатирующие железо и другие металлы с образованием устойчивых комплексов (42, 43). В большей степени изучены сидерофоры, синтезируемые бактериями рода Pseudomonas(44). Продукция сидерофоров ризобактериями связана с удовлетворением их потребностей в железе и ингибированием конкурентной микрофлоры за счет образования недоступных для нее Fесидерофорных комплексов. Важно, что такие комплексы могут усваиваться растениями, хотя и в меньшей степени, чем Fе-содержащие соединения некоторых синтетических хелаторов железа и фитосидерофоров (45). Описаны эксперименты, свидетельствующие о повышении активности систем поглощения и транспорта питательных элементов у инокулированных растений. Так, при инокуляции Achromobactersp. отмечали увеличение скорости ассимиляции нитрата в корнях у рапса (46), при инокуляции в Azospirillumbrasilense — индукцию экспрессии гена LЕАМТ1:2, кодирующего транспортер аммония, у томата (47). Инокуляция озимой пшеницы ризобактериями вызывала у растений изменения в составе фосфорных соединений, в том числе увеличивала содержание кислоторастворимой фракции и АТФ (48), что может рассматриваться как указание на изменение регуляции метаболизма питательных элементов у инокулированных растений. Интерес к механизмам прямого воздействия ризобактерии на системы поглощения и транспорта элементов в растениях в настоящее время возрастает (49). Наиболее вероятно, что вышеперечисленные специфические эффекты бактерий служат причиной повышения содержания определенного элемента в растительных тканях. Существенное влияние бактерий на рост биомассы растения может не проявиться, если дефицит этого элемента не представляет собой ростлимитируюший фактор. Однако чаще наблюдают только повышение накопления (выноса) определенных элементов, обусловленное увеличением биомассы инокулированных растений. Такое действие бактерий может быть связано со стимуляцией роста корней, приводящей к освоению ими большего почвенного пространства и, следовательно, дополнительных питательных ресурсов (39, 49). 49 Многие из этих описанных свойств бактерий и механизмов их положительного влияния на растения могут играть важную роль в защите последних от неблагоприятных условий среды и абиотических стрессов. Это обусловлено потенциальной направленностью действия ризобактерии против негативных эффектов и последствий воздействия стрессоров (50).Универсальным антистрессовым эффектом обладают бактерии, содержащие фермент 1- аминоциклопропан-1-карбоксилат (АЦК) деаминазу, благодаря которому в растениях снижается содержание этилена — сигнальной молекулы в каскаде неспецифических стрессовых реакций (51, 52). Бактерии колонизируют корни растений и используют АЦК в качестве источника питания, что приводит к снижению ее содержания и, соответственно, интенсивности биосинтеза этилена в корнях (50, 52). В результате ингибирующий эффект стрессового этилена на рост растения подавляется. Участие АЦК деаминазы в стимуляции роста растений было доказано в экспериментах с «knock-out» мутантами (53) и при переносе гена АЦК деаминазы в штаммы, не обладающие этим ферментом (54). В настоящее время имеется ряд сообщений о защитном эффекте АЦК-утилизирующих ризобактерий в условиях токсического действия тяжелых металлов (55-57), дефицита (54, 58) или избытка (59) почвенной влаги, а также осмотического стресса при засолении почвы (60, 61). Способность ризобактерий подавлять развитие фитопатогенных микроорганизмов изучают на протяжении многих лет (12, 62, 63). Известные механизмы биоконтроля могут быть связаны с прямым влиянием ризобактерий на фитопатоген, а также с воздействием на растение, направленным на повышение его устойчивости к заболеванию. К одной их группе относится конкурентная колонизация корней и конкуренция за общие пищевые субстраты (62, 64). В этом случае эффективной может быть инокуляция растений авирулентными фитопатогенными штаммами или близкородственными видами. Успешная конкуренция в результате экологической несовместимости видов (правило Гаузе) приводит к вытеснению фитопатогена из зоны воздействия на растения, как следствие, контакт с растением и его инфицирование ограничиваются. 50 Конкурентоспособность биоконтрольного штамма существенно повышается при продуцировании антибиотиков и токсинов, особенно антигрибных метаболитов. Это другая группа механизмов прямого воздействия на фитопатоген, приводящего к ингибированию его роста или гибели. Уже идентифицирован ряд таких антибиотиков (62, 65), и их список постоянно пополняется. Еще одна группа распространенных механизмов — взаимодействие биоконтрольных бактерий с фитопатогенными грибами по типу паразитизма, что особенно характерно при обильном развитии фитопатогена, который может служить богатым источником питания для бактерий, продуцирующих литические ферменты (хитиназы, целлюлазы, липазы, протеазы) (2). К механизмам опосредованного растением биоконтрольного эффекта относится способность непатогенных бактерий индуцировать у растений защитные реакции, направленные на повышение устойчивости к фитопатогенам (66, 67). Сигнальными молекулами, запускающими каскад защитных реакций, могут быть салициловая кислота, бактериальные липополисахариды, сидерофоры и, вероятно, другие вещества не известной пока природы. Спектр и интенсивность защитных реакций растения на биоконтрольный организм и фитопатоген может различаться, что, возможно, связано с отсутствием у не патогенных штаммов специфических сигнальных молекул (66). Колонизация корней ризобактериями. К необходимым условиям эффективного взаимодействия интродуцируемьгх популяций ризобактерий с растениями относится способность интродуцента активно колонизировать корни и поддерживать Колонизация экологически корней значимую ризобактериями численность — сложный популяции (12, мультистадийный 68). и энергоемкий процесс, за который ответственно большое число бактериальных и растительных генов (68). Он может быть разделен на несколько стадий: хемотаксис к корневым экзометаболитам, адсорбцию, формирование микроколоний в местах интенсивной экссудации корневых метаболитов, миграцию вдоль корневой поверхности и конкуренцию с другими микроорганизмами (68). По данным сканирующей электронной микроскопии, 51 микроколонии ризобактерий на поверхности корней покрыты слизеподобным слоем, предохраняющим клетки и колонию в целом от неблагоприятных воздействий (69). Для успешной колонизации корней важна способность бактерий утилизировать основные компоненты корневых выделений, в особенности низкомолекулярные органические кислоты. Мутант Ps. fluorescensWCS365, не растущий на органических кислотах, плохо колонизировал корни томата, а мутант, который не мог расти на сахарах, колонизировал корни так же, как дикий тип (70). Кроме того, при утилизации органических кислот скорость роста, антифунгальная активность и интенсивность продукции ряда антибиотиков у ризосферных псевдомонад, как правило, выше, чем при использовании cахаров (71, 72). В ризосфере у диплоидных генотипов пшеницы с высоким относительным содержанием органических кислот в корневых выделениях численность ассоциативных азотфиксаторов и других ризобактерий росла интенсивнее (73). Способность синтезировать аминокислоты и витамин В1 также оказалась существенной для колонизации корней псевдомонадами (68). Ауксотрофные по аминокислотам мутанты Ps. fluorescensWCS365 не росли на корнях томата без внесения в ризосферу дополнительного количества аминокислот (74). Активная колонизация ризосферы и поверхности корней служит важным критерием отбора инокуляции полезных растений. К форм ризобактерий, эффективным приемам предназначенных селекции для активных колонизаторов ризосферы относится модифицированный метод накопительных культур ОА Берестецкого с соавт. (3, 12), основанный на заселении стерильных корней бактериями, проявляющими активный хемотаксис к корневым выделениям, с последующей оценкой конкурентоспособности изолятов при инокуляции совместно колонизирующую колонизаторы со стандартным активность. ризосферы ростстимулирующими В рода свойствами штаммом, результатебыли Pseudomonasс (3, 12). имеющим выделены высокую активные биоконтрольными Оригинальный прием и позже 52 предложили I. Kuiper с соавт. (75): сначала они выделяли консорциум ризосферных бактерий, затем инокулировали им стерильные корни, после чего реизолировали наиболее активных колонизаторов. В результате нескольких циклов отбора удалось получить наиболее конкурентоспособные штаммы с высокой скоростью утилизации основных компонентов корневых выделений (76). Этот метод был также успешно использован при селекции биоконтрольных штаммов (77). Эффективным оказалось применение принципа популяционного доминирования для селекции бактериальных сообществ из ризосферы прорастающих в нестерильной почве семян (78). Такой подход учитывает высокую конкурентоспособность микроорганизмов при колонизации корней проростков в реальных условиях с учетом влияния комплекса биотических и абиотических факторов среды и генотипа растения. Впоследствии это дает возможность успешно интродуцировать популяцию примерно в ту экологическую нишу, из которой ее первоначально изолировали, что повышает вероятность образования эффективной растительно-бактериальной ассоциации. Эффективность инокуляции растений смешанными культурами ризобактерий. Совместное использование нескольких штаммов ризо-бактерий с неодинаковыми свойствами и механизмами взаимодействия с растением неоднократно рассматривалось как возможность улучшения эффективности инокуляции (23, 50, 79). Прием основан на расширении экологической пластичности и диапазона совместимости многокомпонентных бактериальных инокулятов с растением и использовании принципов аддитивности и синергизма при взаимодействии с растением нескольких ассоциантов. Описаны успешные эксперименты по инокуляции смесями азотфиксирующих бактерий, существенно повышающими урожай и накопление азота у различных растений (80-82). Повышенная эффективность совместной интродукции азотфиксаторов и фосфатмобилизаторов по сравнению с монокультурами описана относительно давно на бактериях рода Azotobacter(83, 84). В условиях сосуществования в одной пространственной зоне и конкуренции за корневые экссудаты между активно взаимодействующими друг с другом ризобактериями образуются трофические и 53 регуляторные связи (13, 86, 87). Например, способность фиксировать атмосферный азот делает диазотрофов чрезвычайно привлекательными партнерами для многих микроорганизмов, усваивающих только минеральные формы азота. Показано, что бактерии рода Azospirillumобразуют ассоциации с целлюлозоразлагающими (Сеllulomonas) (88), пектино-литическими (Васillus) (89) и другими ризосферными (90, 91) бактериями. Такие ассоциации основаны на свойстве азоспирилл использовать в качестве источника углерода продукты разложения полимеров бактериями-ассоциантами, снабжая последние фиксированным азотом. Как следствие, ускоряется ассимиляция полимеров и стимулируется N2-фиксация. Описана ассоциация азотфиксатора PhyllobacteriumspиBac. licheniformis,в которой бактерии лучше развивались, фиксировали N2 и растворяли фосфат кальция, а инокуляция побегов мангровых деревьев этой ассоциацией улучшала азотное питание растений (92). Вероятно, образование описаной ассоциации обусловлено способностью Phyllobacteriumsp. снабжать бациллу азотом, а она, в свою очередь, обеспечивает потребности азотфиксатора в фосфоре. В пободных ассоциациях интродуценты лучше адаптируются к условиям среды и успешнее конкурируют с другими бактериями за питание. Ризобактерий также играют роль «вспомогательных» агентов для активизации симбиотических отношений при инокуляции растений клубеньковыми бактериями и микоризными грибами (18, 39, 87). Стимулирующее действие может быть обусловлено как прямым, так и опосредованным влиянием ризобактерий на микросимбионты (в последнем случае — через положительный эффект на растение). Ассоциации интродуцируемых ризобактерий с аборигенной микрофлорой. Попадая с семенами в почву, интродуценты вступают в тесный контакт с аборигенной микрофлорой и должны занять экологическую нишу в корневой зоне прорастающих семян, которая привлекает многих полезных и вредных для растений микроорганизмов. Как уже отмечалось, интродуцируемые ризобактерий легко вступают в ассоциации с разнообразными микроорганизмами. С одной стороны, аборигенные микроорганизмы могут повышать доступность 54 дополнительных питательных ресурсов для интродуцента, его выживаемость и активность в зоне корней. С другой стороны, в ризосфере в большой степени развиты взаимодействия микробов по типу антагонизма и конкуренции за корневые выделения (68, 70, 71, 86, 93). В частности, бактерии рода Azospirillumпроявляют антагонистическое влияние на другие ризосферные бактерии и при интродукции могут изменять состав ризосферного сообщества, что свидетельствует об активных взаимодействиях интродуцента с аборигенной микрофлорой (94). Однако сами азоспириллы чувствительны к антибиотикам (95), и их рост существенно ингибируется метаболитами многих ризосферных микроорганизмов (96, 97). Это одна из причин слабой конкурентоспособности азоспирилл в ризосфере и снижения эффективности инокуляции (50, 98). Интродуцируемые ризобактерий образуют ассоциации не только с полезными, нои с вредными для растений ризосферными аборигенами. Такое взаимодействие описано для бактерииCytophagajonsonae,стимулирующей Аz.lipoferumи фитопатогенной нитрогеназную активность азоспирилл и повышающей их выживаемость на корнях (97). Однако совместная инокуляция ячменя этими ризобактериями была неэффективной, так как C.jonsonaeингибировала развитие растений. Было также обнаружено, что у ячменя биоконтрольный штамм Flavobacteriumsp. L30 в условиях invitro полностью подавлял рост ризосферных бактерий, усиливающих прорастание семян, а в вегетационном опыте снижал эффективность инокуляции бактериямистимуляторами (97). Таким образом, один из важных факторов выживания и активности интродуцируемых бактерий в ризосфере — взаимодействие с аборигенными микроорганизмами, в частности устойчивость к их влиянию. Слабая конкурентоспособность интродуцентов, а также образование ими ассоциации с вредной для растений микрофлорой или ингибирование активности полезных форм микроорганизмов может влиять на эффективность инокуляции и искажать ожидаемую реакцию растений на внесение ризобактерий в почву. 55 Итак, ризобактерий, как правило, обладают набором свойств, влияющих на рост и питание растений. Это обусловливает широкую вариабельность реакций макроорганизма на инокуляцию и затрудняет интерпретацию полученных результатов, но в то же время открывается возможность для сочетания многих полезных свойств в одном штамме, что делает интродуцента более эффективным и экологически пластичным. Расширяется спектр известных механизмов растительно-ризобактериальных взаимодействий: относительно недавно описаны антистрессовые бактериальные эффекты за счет активности 1-аминоциклопропан1-карбо-ксилат деаминазы (АЦК деаминазы) и специфические воздействия на системы потребления элементов минерального питания. Особый интерес представляет вопрос, ишродуцируемых как штаммов растения и их влияют на численность функциональную популяций активность. Весьма перспективно создание инокулятов, состоящих из бактериальных ассоциаций с аддитивными и синергическими эффектами на растения и повышающих устойчивость растительно-бактериальной системы. К настоящему времени информация о взаимодействии компонентов ризосферного сообщества с интродуцентами довольно ограничена. Часто этим затрудняется понимание реакции растений на инокуляцию и поведения популяции интродуцента в ризосфере. 3.2. Эффективность ассоциативных АЦК-утилизирующих бактерий Стимуляция роста растений обнаружена также под влиянием так называемых эндофитных бактерий, способных внедряться в ткани растений и существовать внутри них [28]. К бактериям, стимулирующим рост растений (Plant Growth Promoting Bacteria – PGPB), относят представителей многих видов, принадлежащим к родам Azospirillum, Bacillus, Enterobacter, Gluconacetobacter, Paenibacillus, Pseudomonas привлекательной и альтернативой др. Применение химическим PGPB удобрениям, представляется позволяющим уменьшить загрязнение окружающей среды, поскольку их выделяют, в основном, из естественной среды обитания растений [10]. 56 Возможность бактерий стимулировать рост растений связана с тремя их основными свойствами: 1. Продуцированием ими фитогормонов, регулирующих рост растений[12]. 2. Повышением под их влиянием доступности для растений элементов питания [22]. 3. Защитой растений от болезней [25]. Способность ризосферных бактерий стимулировать рост корней благодаря наличию АЦК деаминазы впервые описали с использованием проростков рапса и штаммаPseudomonasputidaGR12-2 [15]. Доказательством служило отсутствие эффекта у дефектных по этому ферменту мутантов [14, 15] и его восстановление при обработке аминоэтоксивинилглицином — химическим ингибитором растительной АЦК синтазы[16]. В культуральной жидкости Azospirillum, Pseudomonas были обнаружены ауксины, у Azotobactervinelandii, Pantoeaagglomeransи Bacillussubtilis – цитокинины, у Proteusmirabilis, P. vulgaris, Klebsiellapneumoniae– гиббереллины, у Azospirillumbrasilense - абсцизовая кислота (АБК), у Achromobacterxylosoxidans и Bacilluspumilus – жасмоноваякислота, у Pseudomonas aeruginosa – салициловая кислота, т.е. соединения, которые относятся к основным классам гормонов растений [11]. Поскольку способность этих соединений влияет на рост и устойчивость растений широко известно, не удивительно, что ростостимулирующее действие бактерий связывают с их способностью синтезировать фитогормоны [8, 24]. Известно, что аминокислота АЦК входит в состав корневых экссудатов и растение поддерживает ее баланс внутри и вне тканей (в ризосфере ее количество может достигать нескольких микромолей [23]. Фитогормон индолилуксусную кислоту (ИУК), усиливающую рост растения, продуцируют многие АЦК – утилизирующие бактерии. Сообщается, что ИУК стимулирует АЦК – синтазу[19], но ингибирует АЦК оксидазу [20]. Поэтому под действием бактериальной ИУК растение синтезирует больше АЦК, 57 используемой бактериями, которые таким образом обеспечивают себя уникальным источником питания в ризосфере и, возможно, повышают конкурентоспособность. Анализ кинетики транспорта АЦК в ризосферу и конкуренции за субстрат между бактериальной АЦК – деаминазой и растительной АЦК оксидазой показал, что АЦК интенсивно потребляется бактериями при относительно высокой скорости переноса АЦК из корня в ризосферу и быстрой индукции АЦК – деаминазы у бактерий. Недавно обнаружено, что при инокуляции активность АЦК – синтазыв корнях повышается (видимо, благодаря эффекту бактериальной ИУК), а АЦК оксидазы – снижается(вероятно, из-за уменьшения концентрации субстрата) [19]. Обработка ИУК ингибировала АЦК оксидазу [20]. Многие АЦК – утилизирующие бактерии относятся к роду Pseudomonas, представители которого – типичные индукторы системной устойчивости у растений. Однако роль АЦК – деаминазывфитопатогенезе и вопрос о локальном (на корни) или системном действии бактерий на статус АЦК и этилена в растении нуждаются в более детальном изучении [9]. Дефицит воды и ионов питательных элементов снижает содержание в растениях гормонов стимулирующего типа действия (прежде всего, цитокининов[17]). Поэтому можно ожидать, что отзывчивость растений на инокуляцию PGPBбактерий в этих условиях должна возрасти. Показано, что микроорганизмы, приспособленные к существованию в условиях засухи и отобранные в соответствующих условиях, обеспечивают снабжение растений фитогормонами. Активация роста растений выгодна микроорганизмам, поскольку при этом возрастает выделение корневых экссудатов, обеспечивающих микроорганизмы питанием [7]. 4. Использованuе бuопрепаратов мuкробного проuсхождения в решенuuпроблем экологuзацuuu продовольственной безопасностu 58 После изучения российскими и зарубежными учеными-исследователями растительно-микробных связей у сельского хозяйства появилась возможность применить препараты биологического действия, позволяющие как увеличивать процент урожайности сельскохозяйственных культур, так и получать качественный и экологически чистый и безопасный продукт. Вследствие открытия азотфиксаторов были получены микробные удобрения, они стали широко использоваться в сельском хозяйстве. В 1895г. Хаббе и Хилтнерполучили патент на препарат микробной культуры под названием«Nitragin», который выпускался в 17 различных вариантах для растений. В России в 1907 году ученый Будинов Л.Т. стал применять ризоторфин – продукт, которыйпредставляетиз себя торфяной субстрат, перемешанный сбактериями рода Rhizobium (5-8·109 клеток на 1г торфа) и выращенныйв искусственной питательной среде. Подобный препарат во Франции имеет название N-germ, а в Чехии – нитразон, в Индии же он называется - нитрофикс. Под бобовые ризоторфин вносят посредстваминокуляции семян. Эффект от его применения (на тех почвах, где ранее не возделывались бобовые культуры) часто достигал от 50 до100% (Кожемяков, 1982). Как следствие этогов начале ХХ в. был всплеск научно-исследовательских работ, касающихсявопросов создания и использования перспективных микробных препаратов для небобовых и бобовых культур. Инокуляция ассоциативными диазотрофными бактериями является одним из перспективных путей решения проблемы азотного питания сельскохозяйственных растений (Хотянович, 1995; Ladha, 1998). По данным разных исследователей, использование диазотрофовв значительной степени повышает урожай небобовых растений – от 5 до 70 % (Burdmanetal., 1998). Вразличных почвенно-климатических и экологических условиях ростурожая при инокуляции эффективными штаммами диазотрофов (Flavobacterium, Azospirillumlipoferum, Arthrobactersp., Agrobacterium radiobacter,) составлял 10-30 % для злаковых культур, 20-40% для овощных (Kojemyakovetal., 1998; Sawickaetal., 1998; Zavalinetal., 1998). В ассоциации с кукурузой некоторые 59 диазотрофы фиксировали 30-90 кг азота/га, а урожай пшеницы возрастал на 2-9 ц/га (Govedaricaetal., 1998). Инокуляция ячменя, сорго, и озимой пшеницы ассоциациями ризосферных азотфиксирующих бактерий оказывала большое воздействие на производительность растений. Урожай сорго увеличился до 1530% в зависимости от того, какой сорт был выбран, а в растения поступало на 25% азота атмосферы (Бойко, 1989; Чеботарь, 1985, 1995). Ряд ученых-исследователей сельскохозяйственных растений подчеркивают: активными штаммами инокуляция азотфиксирующих бактерий не только повышает их урожай, но и улучшает качество растительной продукции (Патыка, 1995). В зерне пшеницы содержание белка, а в клубнях картофеля содержание крахмала возрастало до 10-20% (Кипрушкина, 2005). На базе используются ассоциативных препараты (Artrobactermysorens), диазотрофовв Флавобактерин Ризоагрин производственных (Flavobacteriumsp.), (Agrobacteriumradiobacter), условиях Мизорин Азоризин (Azospirillumlipoferum), Агрофил. Каждый из этих биопрепаратов может быть использован на разных группах сельскохозяйственных культур. Все биопрепараты, группы «ФАРМАТ», изготавливают, используя стерильный торф как основу, вермикулит и жидкую питательную среду. В зависимости от штамма титр бактерий– 2 - 10 млрд. клеток в 1г, он сохраняется на протяжении 6 месяцев. Наиболее подходящая доза для расхода биопрепаратов 300 г на гектарную норму посадки семян зеленных,овощных, масличных культур и многолетних трав. Так же 600 г – для зернобобовых и зерновых культур, и 3000 г –для столовых клубнеплодов (Кокорина, Кожемяков, 2010). Ризоэнтерин, Флавобактерин, и похожие на них препараты(например, Азоризин и Ризоагрин) – не в полной мере удовлетворяют необходимость в азоте, но, стоит сказать, что заменяют от 40 до 60 кг минерального азота, а это разрешает снизить дозу внесения в почву удобрений и понизить уровень загрязнения нитратами, а так же снизить материальные затраты. В опытах Н.И. Конопли (1999) (Конопля, 1999) при сравнении минеральных (N60P60K30) и бактериальных удобрений совокупные денежные затраты на добавление 60 удобрений составили около 61,7 у.е./га; а затраты труда равнялись 1,2 чел.ч/га. Затраты энергии были 6,5 тыс. МДж/га; а применение бактериальных препаратов – 2,9-3,7 у.е./га; 0,2 чел.ч/га; 150-160 МДж/га. Производительность биопрепаратов ассоциативных азотфиксирующих бактерий увеличивается при условии их применения с невысокими дозами минерального азота. Этот факт подтверждают исследования Л.А. Ежовой и М.Б. Терехова (1997), а так же исследования ученого Терехова (2000), которые были проведены в учхозе Новинки Нижегородской ГСХА при наличии светло-серых легкосуглинистых почв. Исследования проводились по следующим культурам: яровая пшеница и яровой ячмень. Семена были инокулированы штаммами, такими как: Azotobactercrococcum, Azotobactervinelandij,а так жесочетанием штаммов Clostridium pasterianum+ Azotobacter. Исследования проводились на фоне минеральных удобрений, таких как: (PK)90, N30(PK)90, N60(PK)90, и N90(PK)90. Результаты работ исследователей показали: от внесения в виде минеральных удобрений азота в размере 30 кг/га рост урожая по яровой пшенице составил 1,9 ц/га;рост урожая по ячменю - 4,1 ц/га; от прибавления 60кг/га показатель увеличился: 5,6 и 6,6 ц/га. Дальнейшее увеличение дозы азота (до 90 ц/га) не способствовало росту урожайности. Максимальный показатель прибавки от инокуляции пшеницы семян стал 3,8-6,6 ц/га; у ячменя, соответсвенно, 0,6-2,7 ц/га, полученные при внесении N30(PK)90. Стоит отметить, что более эффективным штаммом для яровой пшеницы был Azotobactervinelandij, который обеспечил прибавку в размере 60 кг/га минерального азота.Наячмене более эффективным штаммом стал Azotobactercrococcum. Обработка семян перед посевом не выявила особого влияния на полевую всхожесть. Но «выживаемость»стала на 3,4- 14% выше в сравнении с вариантами без инокуляции. При использовании ассоциативных бактерий произошел рост массы 1000 зерен и снизилось количество растений, пораженыхк орневыми гнилями. А.П. Кожемяков и др. (2004) при изучении взаимодействия 12 сортов пшеницы и 6 сортов ячменя с ассоциативными ростстимулирующими ризобактериями на различном азотном фоне (N0, N30,N60) выделил, что наиболее 61 эффективна инокуляция и внесение удобрений на почвах, сравнительно бедных азотом. Снижение дозы минеральных удобрений было исследовано в опытах ученого А.А. Завалина и другими (2003). Завалин установил: для улучшения качества использования биологического азота на растениях смешанного посева, а так же гороха, пшеницы, можно использовать препараты, созданные на основе симбиотических и ассоциативных бактерий. Доза азотных удобрений может быть значительно уменьшена: от 60 до 30 кг.д.в./га. Очень эффективным может стать совокупное использование ассоциативных азотфиксаторов с клубеньковыми бактериями. Некоторые исследователи с цельюувеличения продуктивности бобовых культур брали за основу инокуляцию растений ассоциациями Rhizobiumи Azospirillum (Андреева.1990; Редькина, Андреева, 1994),Azotobacter и Rhizobium(Narula,Gupta,1987), Azotobacter и Glomus (Mohandas,1987). Инокуляция сои фасоли, и люпина узколистного Rhizobium и Azospirillum повышала массу, а так же количество корневых клубеньков и нитрогеназную активность; так же увеличивала продуктивность растений и содержание азота в бобах и надземной массе (Андреева, 1990; Шабаев, Смолин, 1992; Редькина, Андреева, 1994;Singh, Subba-Rao, 1979). Возможное увеличение роста клубенькообразования и корней овощной сои описано A.H. Mollaetal. (2001) при инокуляции Azospirillumbrasilense (Sp7) и A. lipoferum (CCM 3863) вместе со штаммами Bradyrhizobiumjaponicum(TAL102 и UPMR48). При этом происходило увеличение общей длины корней, сухой массы, количества корней, развития корневых волосков, а так же росло масса и количество клубеньков. Взаимосвязь такова: вместе с возможностью фиксировать азот воздуха, азоспириллы отделяют фитогормоны: такие как ауксины, гиббереллины и цитокинины), а так же пектолитические ферменты (Yahalometal. 1987; Steenhoudt, Vanderleyden, 2000, 2001). В результате получаются образования дополнительных точек инфекции, которые впоследствии используют ризобиичтобы формировать большее количество клубеньков, у которых масса превышает таковую при инфицирование только ризобиями (Андреева и др., 1993;Plazinski, Rolfe, 1985; Tchebotaretal., 1998). 62 Итоги культур, а многолетних так же изучений новых эффективности землеудобрительных инокулянтов препаратов бобовых (на основе ассоциативных азотфиксирующих бактерий) показали: биопрепараты оказывают комплексное положительное действие на растения, и способны значительно увеличить продуктивность сельскохозяйственных в культур основном (зерновых, всех овощных, рассмотренных технических), и эффективность всего сельского хозяйства (Кожемяков, Тихонович, 1998). При этом рост урожая зерновых в среднем составил от 15 до 20%, а овощных культур соответственно от 20 до 30%. Помимо этого применение биопрепаратов оказывало положительное влияние на само качество получаемой продукции, увеличивая (в зависимости от культуры) содержание в крахмала, протеина, сахаров, и витаминов (Тихонович, 2000). Микробные, землеудобрительные биопрепараты представленны отнюдь не только азотфиксирующими микроорганизмами. Перспективно применение микоризных грибов -они улучшают водообеспечение, минеральное питание растений и продуцируют биологически-активные вещества: витамины, фитогормоны, антибиотики. Они противостоят патогенным микроорганизмам и, в целом, улучшают рост, приживаемость растений. Но грибы- микоризообразователи трудно культивировать искусственным путем. В связи с этим для микоризации иногда применяют лесную почву, которая содержит споры и мицелий подобных грибов. Существует российская pазрабoтка, которая была сoздана в BHИИ cельскохозяйcтвенной микpoбиoлoгии – «БuсoлбuМuкс». Данная разработка имеет отличия от заpубежных, потому что в oснове данного кoмплексногo микpoбиoлoгическогo удoбpения находятся грибы (арбускуляpноймикopизы), а так же клубеньковые иpизoбактерии. Субcтратом-нocителем микрoбиoлoгическoгo yдoбрения«БиcoлбиМикc» выступает oтхoд cаxарнoгo прoизвoдствa:д ефекaт. «БисолбиМикс» оказывает положителное воздействие на урожай растений и его качество, в следствие использования большого комплекса полезных микроорганизмов. При дозе внесения «БисолбиМикса» в размере 500 63 кг/га урожай яровой пшеницы возрос на 1,2 ц/га.Более того - на фоне внесения минеральных удобрений до 2.1 ц/га. Стоит отметить, что в полевых опытах ВНИИ зернобобовых культур исследователь показали: применение удобрения «БисолбиМикс» значительно повышало семенную продуктивность фасоли, чечевицы и гороха а так же яровой пшеницы в среднем на 27,9 - 32,3%.(Борисов, 2004; Наумкина, 2005; Прилепская, 2007). В практике сельского хозяйства широко используются PGPR.На их основе был создан ряд «биофунгицидов». В США значительный процент посевов хлопка подвергается обработке препаратом «Kodiak», в основе которого Bacillussubtilis GB03 (Brannen, Kenney, 1997). Биопрепарат увеличивает массу корня, а так же подавляет процесс развития инфекций, которые вызваны грибами таких родов, как Fusarium и Rhizoctonia. Этот штамм достаточно хорошо приживается в ризосфере. В вид того, что B.subtilis- спорообразующий организм, он может переносить различные экологические стрессы, такие как: экстремальные значения pH, обработка семян пестицидами, длительное хранение и неблагоприятное действие вторичных метаболитов хлопка. Заграницей известны биопрепараты, в основе которыхPseudomonas: BioSave, Intercept, BlightBanA506, Blue-Circle, Victus (Боронин, 1998). На сегодняшний день в России зарегистрировано четыре биофунгицида, в основе которыхPGPRВacillus (Гамаир, Алирин-Б, Бактофит, Фитоспорин) и три, в основе которых Pseudomonas( Планриз, Бинорам) (Справочник пестицидов и агрохимикатов <…>, 2015) Оценка уровня эффективности препаратов на основе ростостимулирующих бактерий была проверена в разных почвенно-климатических зонах РФ и в соседствующих государствах на следующих растениях: яровая пшеница, озимая пшеница и озимая рожь, горох, ячмень, картофель, гречиха, лен-долгунец, хлопчатник, подсолнечник. Было выявлено, что, в результате более хороших условий роста и развития растений (при использовании биопрепарата, на основе Bacillus)происходит рост урожайности растений на 10-45%. Это эквивалентно 64 внесению N30-45,и обеспечивает дополнительные вовлечения в агроценозы биологического азота, калия и фосфора из-за почвенных запасов. Так же увеличивается устойчивость всех растений к неблагоприятным факторам внешней среды (Чеботарь, 2007). Исследователи V.K. Chebotar, S. Akao (2001) установили эффективность совместной инокуляции BradyrhizobiumjaponicumА1017 соштаммами ассоциативных бактерий Pseudomonas fluorescens2137, P. fluorescens WCS 365,Azomonasagilis 125 и Azospirillumlipoferum137 на сое, которая была выращена в стерильных условиях. Установили, что P. Fluorescens 2137 проявляли высокую колонизационную активность на корнях сои, как при моноинокуляции, так и при совместной инокуляции с B.japonicum А1017. Стоит отметить, что совместная инокуляция производила увеличение колонизации корней B. japonicum А1017, повышала количество клубеньков и нитрогеназную активность. Но, совместная инокуляция B. japonicum А1017 с P. fluorescens WCS 365 уменьшала количество корневых клубеньков и нитрогеназную активность тем самым, показывала зависимость уровня эффективности инокуляции от определенного штамма бактерий. Использование микроорганизмов, которые улучшают питание растений, имеет приоритет перед макро- и особенно дефицитными микроудобрениями. Ученые В.Ю. Смолин и В.П. Шабаев (1992, 1992) изучили воздействие двойной инокуляции сои клубеньковыми бактериями (Bradyrhizobiumjaponicum 110) совместно с бактериями, рода Pseudomonas или эндомикоризными грибами (G.Mosseae) на содержание в растениях P, N, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Zn, Mg, CoиMo.Было подчеркнуто, что при внесении в почвы ризосферныхпсевдомонад и эндомикоризных грибов и локальном добавлении азотного удобрения, изменений концентраций у большинства элементов питания в зерне (и соломе) не наблюдалось после уборки. Рост урожая при внесении к клубеньковым бактериям этих микроорганизмов и локализации азота происходил ввидуроста выноса растениями, в основном зерном, разных питательных элементов. Количество питательных веществ в растениях сои в большей степени 65 подчинялось виду микроорганизма и способу внесения азота. Ввиду улучшения минерального питания растений микроорганизмы оказывали рост урожая сои и не влияли на концентрацию в урожае главных элементов питания. Можно сказать, что на текущий момент в РФ производят порядка30разных микробиологических препаратов для растениеводства. Данные препараты регулируют функционирование ризосферной и почвенной микрофлоры, а так же режим питания растений, защиту растенийот вредителей и болезней. На протяжении десятков лет в нашей стране проводили попытки культивирования микробиологических препаратов в сельском хозяйстве, но широкого применения эти препараты не нашли. В нашей стране, к сожалению, до сих пор не уделяют микробиологических большого внимания землеудобрительных процессу препаратов. использования Данные препараты, являясь экологически-безопасными для окружающей среды, могут позволить повысить урожайность культур и их оздоровление, а так же способствовать получению более качественной продукции. И более того – способствовать энергосбережению при производстве продукции растениеводства.(Сергеев, 2009) Применение бобово-ризобиального и эндомикоризного симбиозов, а так же ассоциативных азотфиксаторов и их сочетаний - это весьма перспективное направление в продуктивности растениеводстве. агроценоза и Оно способствует сглаживает повышению негативные интенсификации. Так же способствует возрастанию уровня растений к абиотическим и биотическим стрессам и уровня последствия устойчивости повышает адаптивный потенциал растений и способствует ресурсосбережению. Методика приемов регулирования микробиологической деятельности почв является практически неисчерпаемым, дополнительным фактором повышения продуктивности культур, и высокого плодородия почв. (Петрова,2010) т 66 2 УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Научные исследования выполнены в 2013-2015 годах в рамках тематического плана-задания Министерства сельского хозяйства Российской Федерации. Лабораторные эксперименты осуществлялись на кафедре растениеводства при использовании оборудования ЦКП НО «Экологический и агрохимический мониторинг сельскохозяйственного производства и среды обитания» и ЦКП «Генетические ресурсы растений и их использование» ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. Полевые опыты закладывались в севообороте НОПЦ «Интеграция» (п. Лаврово, Орловский район). 2.1 Агрометеорологические условия в годы исследований Орловская область расположена в лесостепной зоне и представляет собой зону переходных почв, от дерново-подзолистых к чернозёмам. По комплексу природных факторов (рельеф, климат, почвенный покров) на территории области выделено три агропочвенных района: западный, центральный и юго-восточный. НОПЦ «Интеграция», где закладывался полевой опыт, относится к центральной зоне, с преобладанием серых лесных, темно-серых лесных почв и оподзоленных чернозёмов. Опытное поле располагается на юге Орловского района Орловской области. Расстояние от хозяйственного центра до областного центра – г. Орла – 8км. Транспортная связь с пунктами сдачи сельскохозяйственной продукции и получения грузов осуществляется по дорогам с твердым покрытием. Внутри хозяйства перевозки и связь между населенными пунктами осуществляется по грунтовым дорогам. НОПЦ «Интеграция» специализируется на выращивании зернобобовых, многолетних трав, а также масличных культур. зерновых, 67 Площадь пашни производственного центра составляет 4972га, из них на пары приходится 1872га, в том числе 300га сидеральных паров. Посевная площадь занимает 3000га. На опытное поле отводится 100га пашни. Почва опытного участка представляет собой типичную для области тёмносерую лесную среднесуглинистую глееватую почву, способную заплывать и слипаться после дождей, уплотняться и образовывать трещины в сухую погоду, что можно было наблюдать в условиях 2013 года. Почвообразующие и подстилающие породы - оглеенные покровные суглинки (пятна оглеения встречаются с 75 см). Склон северо-западной экспозиции крутизной 0-30. Микрорельеф выровненный. Согласно данным, приведенным в таблице 1, почва опытного участка имеет средне - кислую реакцию почвенного раствора, среднюю степень насыщенности основаниями, среднее содержание гумуса, повышенную обеспеченность подвижным фосфором и обменным калием. Таблица 1 – Агрохимическая характеристика почвы опытного участка (данные ФГБУ центра химизации и сельскохозяйственной радиологии "Орловский", Орловский район) Тип почвы рНсол Гумус, % Темно-серая лесная 5,0 3,8 Содержание в почве, мг/100 г почвы Подвижного Обменного Азота фосфора калия 4,2 12,9 15,9 Следует подчеркнуть, чторН почвенного раствора является одним из основных факторов, лимитирующих симбиоз растений с клубеньковыми бактериями. Поэтому, кислая реакция почвенной среды, могла оказать влияние на РМВ, поскольку в кислой среде у инокулированных растений резко сокращается срок функционирования бактероидной ткани, что ведет к снижению степени азотфиксации (Шапошников, 2011). 68 По основным физико-химическим показателям почва является типичной для данной природно-экономической зоны и пригодна для возделывания большинства сельскохозяйственных культур, в т.ч. и раннеспелых сортов сои. Климат Орловского района формируется под влиянием атлантических и континентальных воздушных масс. В связи с вытянутостью области в меридиональном направлении наблюдается постепенное изменение климатических условий с севера-запада на юго-восток (уменьшается количество осадков и высота снежного покрова, увеличивается средняя температура и повторяемость суховеев). Общий характер погоды в значительной степени зависит от воздействия холодных и теплых, сухих и влажных воздушных масс, приходящих из соседних регионов. Летом в области преобладают ветры южного, юго - западного, западного и юго - восточного направлений, а зимой - южного, юго - западного, западного и восточного. Западные и юго - восточные ветры - сухие, знойные, как правило вызывают явления засухи. Они имеют большую повторяемость в период вегетации растений(http://pogodaorel.ru). Годы исследований по погодным условиям во время вегетации растений сои были контрастными. Метеорологические условия 2013 года имели существенные отклонения от среднемноголетних данных и сопровождались неравномерным распределением осадков и колебанием температуры воздуха (рис. 1). Выпавшие во 2-ой декаде мая осадки, пришедшие на посев сои, составили всего 24% декадной нормы, при этом температура воздуха превысила многолетние показатели на 7,7 0С, т.е. посев осуществляли в сухую почву. В свою очередь, на момент всходов семян, в третьей декаде мая, выпала двойная норма осадков, что привело к уплотнению почвы и образованию почвенной корки, т.е. способствовало неравномерному появлению всходов. 69 t, C 60 осадки, мм 50 40 26 осадки 2013 21 осадки ср.мн. 30 t, 2013 16 20 t, ср.мн. 11 10 0 6 I II май III I II III июнь I II июль III I II август III I II III сентябрь Рисунок 1 - Метеорологические условия вегетационного периода сои 2013 г (данные метеопункта ОГМС при ВНИИЗБК, Орловский район) После чего в начале июня вновь наступили засушливые условия (количество осадков составило всего 18% декадной нормы, и температура воздуха превысила среднее многолетние значения на 30С), которые сменились резким увеличением количества осадков - третья декада июня. Во второй декаде июня выпало в 2,5 раза меньше осадков по сравнению с многолетней нормой. Резкие колебания уровня влажности и плохая аэрация почвы в связи с сильным ее уплотнением в комплексе с повышенной кислотностью создали неблагоприятные условия для формирования бобово-ризобиального симбиоза, а также способствовали сокращению периода активного симбиоза растений. Сумма осадков в третьей декаде июня составила 53,6 мм, что в 2,1 раза превысило декадную норму, благоприятно повлияв на закладку генеративных органов растений. В первой декаде июля, пришедшейся на начало цветения, осадков выпало в 1,8 раза меньше средней многолетней нормы, что в свою очередь снизило интенсивность ростовых процессов и симбиотическую активность растений. 70 Напротив, во второй и третьей декадах июля температура воздуха и выпавшее количество осадков в течение вегетационного периода в целом совпали с потребностями растений во влаге и тепле и создали благоприятные условия для их роста, развития и формирования продуктивности. Для первой декады августа были характерны высокая температура воздуха (20,3°С) и минимальная влагообеспеченность посевов (0,3 мм) во время формирования семян. К концу августа, к моменту наступления физической спелости семян, выпало большое количество осадков, в 1,9 раза превысившее средние многолетние показатели. В сентябре количество осадков в целом превысило среднее многолетнее значение в 2 раза, что привело к задержке созревания семян и увеличению периода вегетации, а также создало трудности, связанные с уборкой урожая. Для вегетационного периода 2014 года в целом были характерны засушливые условия, которые наиболее ярко начали проявляться во второй декаде июля, пришедшейся на фазу цветения у сои, и продолжались вплоть до уборки урожая (рис. 2). Вторая декада мая, совпавшая с посевом культуры, отличалась благоприятным для прорастания семян водно-тепловым режимом, благодаря обильным осадкам, выпавшим в первой декаде месяца, и температуре воздуха, превысившей среднемноголетний показатель в 1,3 раза. Вместе с тем уровень осадков в третьей декаде мая превысил среднемноголетний в 3 раза на фоне нехарактерно высокой для данного периода температуры воздуха, что обеспечило благоприятные условия для создания бобово-ризобиального симбиоза в агроценозах сои при формировании активных клубеньков в первой декаде июня. 71 70 28 t, C 60 осадки, мм 50 23 осадки 2014 40 осадки ср.мн. 18 30 t, 2014 20 13 10 t, ср.мн. 0 8 I II III май I II III июнь I II III июль I II III август I II III сентябрь Рисунок 2 – Метеорологические условия вегетационного периода сои 2014 г (данные метеопункта ОГМС при ВНИИЗБК, Орловский район) В конце июня – начале июля в среднем выпало достаточное количество осадков, что наряду с температурным режимом благоприятным образом отразилось на закладке генеративных органов растений сои, а также дальнейшем их росте, развитии, взаимодействии с полезной почвенной микрофлорой и формировании урожая. В период третья декада июля – первая декада августа не выпало ни одного мм осадков, при этом температура воздуха превысила уровень прошлых лет в 1,3 раза. Для сентября было характерно полное отсутствие осадков. В свою очередь засуха способствовала сокращению вегетационного периода сои, позволив произвести уборку урожая в более ранние сроки – 17 сентября. Вегетационный период 2015 года характеризовался неравномерным распределение осадков и резким колебанием температуры воздуха(рис. 3). В начале мая, пришедшемся на посев культуры, выпало достаточное количество осадков (46-70% от среднемноголетней нормы), что в совокупности с температурным режимомсоздало благоприятные условия для дальнейшего роста, развития и формирования продуктивностирастений сои. 72 Однако в начале июня наступили засушливые условия (количество осадков выпало в 1,9 раза меньше декадной нормы, температура воздуха превысила среднее многолетние значение на 130С), что оказалось неблагоприятным для развития бобово-ризобиального симбиоза. 70 28 t, C 60 осадки, мм 50 23 осадки 2015 40 18 30 осадки ср.мн. t, 2015 20 13 10 t, ср.мн. 0 8 I II III май I II III июнь I II III июль I II III август I II III сентябрь Рисунок 3 –Метеорологические условия вегетационного периода сои 2015 г (данные метеопункта ОГМС при ВНИИЗБК, Орловский район) Период налива и созревания бобов сопровождался достаточно сухой и теплой погодой.Это привело к сокращению продолжительности фаз развития растений (цветение, созревание) и уменьшению количества бобов и семян, что отрицательно сказалось на величине урожайности. Для конца сентября было характерно отсутствие осадков. В свою очередь засуха способствовала сокращению вегетационного периода сои. Разнообразие метеорологических условий в годы наших исследований позволило получить объективную оценку эффективности создания ассоциаций сои с ризосферной микрофлорой в условиях агроценоза Орловской области. В целом, климатические условия Орловской области благоприятны для возделывания многих сельскохозяйственных культур, в том числе и раннеспелых сортов сои. 73 2.2 Материал исследований Объектом исследований служили три раннеспелых сорта сои, районированных по 5 региону: Красивая меча и Свапа (селекция ВНИИЗБК), а также Бара (селекция ООО Компания «Соевый комплекс», г. Краснодар). КРАСИВАЯ МЕЧА9154774, патентообладатель: ГНУ ВНИИ «ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР». Включен в Госреестр по Центрально-Черноземному (5) региону. Раннеспелый. Растение детерминантного типа, низкое, от прямостоячего до полупрямостоячего с рыжевато-коричневым опушением. Боковой листочек ланцетовидной формы, среднего размера, зеленый. Цветок фиолетовый. У боба интенсивность коричневой окраски темная. Семена среднего размера, шаровидно-приплюснутые, коричневые, рубчик темно- коричневый. Масса 1000 семян 108-125 г. Содержание белка в семенах 41,5%. Содержание жира 21,0%. Высота прикрепления нижнего боба 21,0 см. Средняя урожайность в регионе 9,2 ц/га. Максимальная урожайность 20,6 ц/га получена на Губкинском сортоучастке Белгородской области в 2009 г (рис. 4). Рисунок4–Соя (Glycine hispida Maxim.) Красивая меча 74 СВАПА 9463914, патентообладатель: ГНУ ВНИИ ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР и ГНУ ШАТИЛОВСКАЯ СХОС. Включён в Госреестр по Центрально-Чернозёмному (5) региону. Раннеспелый. Растение индетерминантное, средней высоты, промежуточной формы, с серым опушением стебля. Боковые листочки ланцетовидной формы, светло-зелёные, маленького размера. Цветок белый. Интенсивность коричневой окраски боба светлая. Семена мелкие (114,8-140,9 г), удлинённо-приплюснутой формы, жёлтые, рубчик жёлтый. Высота прикрепления нижнего боба 10,5-20,0 см. Средняя урожайность в регионе 14,9 ц/га. Высокая урожайность 26,6 и 28,4 ц/га (она же максимальная) получена в 2007г. соответственно на Ливенском ГСУ Орловской области и Липецкой ГСС Липецкой области. Содержание белка в семенах 32,1%, жира 22,7%. Устойчив к полеганию и осыпанию. Средневолжском регионе За годы поражения испытаний в болезнями полевых не условиях наблюдалось. Дальневосточном регионе отмечено среднее поражение септориозом (рис. 5). Рисунок 5 –Соя (Glycine hispida Maxim.) Свапа в В 75 БАРА 9253544, патентообладатель: ООО КОМПАНИЯ "СОЕВЫЙ КОМПЛЕКС". Включен в Госреестр по Центрально-Черноземному (5) региону. Раннеспелый. Растение от полудетерминантного до индетерминантного типа, средней высоты, от прямостоячего до полупрямостоячего с серым опушением. Боковой листочек округло-яйцевидной формы, большой, зеленый. Цветок фиолетовый. У боба интенсивность коричневой окраски светлая. Семена среднего размера, шаровидно-приплюснутые, желтые, рубчик серый. Масса 1000 семян 117-124 г. Содержание белка в семенах 40,6%. Содержание жира 22,7%. Высота прикрепления нижнего боба 13 см. Средняя урожайность в регионе 10,8 ц/га. Максимальная урожайность 19,9 ц/га получена на Авдеевском сортоучастке Тамбовской области в 2009 году (рис.6). Рисунок 6 – Соя (Glycine hispida Maxim.)Бара Растения выращивались в семипольном севообороте зернового типа на делянках площадью 10 м2 в четырехкратной повторности. Метод размещения опытных делянок – рендомизированный. Посев осуществляли 15 мая (2013г.), 13 76 мая (2014г.), 13 мая (2015г.) с помощью селекционной сеялки WINTERSTEIGER (Австрия). Предшественник – черный пар. Исследования проводили по принципу трёхфакторного эксперимента. Фактор А – сорт (А1 – Красивая меча; А2 – Свапа; А3 – Бара). Фактор В – микроорганизмы. Фактор С – норма удобрений, кг д.в., рассчитана балансовым методом. В опытах изучалась эффективность интродукции в агроценозы соиперспективных штаммов на основе АЦК – утилизирующих ризобактерий (Pseudomonas oryzihabitans EP4 и Variovorax paradoxus P-4) отдельно и в комплексе с производственным штаммом клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum 634б в зависимости от уровня минерального питания растений (NPK100%и NPK70%).Штаммы микроорганизмов предоставлены Всероссийским НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г.Санкт-Петербург– Пушкин). Опыты были представлены следующими вариантами: 1. Контроль* 2. Штамм634б** 3. Pseudomonas*** 4.Variovorax**** 5. Штамм634б+Pseudomonas 6. Штамм634б+Variovorax * - контроль(без использования микроорганизмов, фон NPK(100 и 70%)) ** - производственный штамм клубеньковых бактерий Bradyrhizobiumjaponicum634б *** - перспективный штамм ассоциативныхризобактерий с АЦК-дезаминазной активностьюPseudomonas oryzihabitans EP4 **** перспективныйштамм ассоциативныхризобактерий с АЦК-дезаминазной активностьюVariovorax paradoxus 3P-4 Инокуляция клубеньковыми бактериями производилась в день посева из расчета 200 г на гектарную норму семян, штаммы Pseudomonas EP4 и Variovorax 3P-4 вносилив рядки в фазу всходов (10% р-р). В опыте использовали 2 фона минерального питания растений – NPK100% (из расчета на планируемый урожай 3т/га) и NPK70%. Минеральные элементы вносили в виде тукосмеси с процентным содержанием NPK10:26:26. 77 Рисунок 7 – Агроценоз опытного участка Непосредственно перед посевом семена протравливали препаратом Максим, КС, норма расхода 2 л/т. Для борьбы с сорной растительностью использовали систему гербицидов:непосредственно перед посевом почвенный препарат фирмы ООО "Syngenta"Дуал Голд, КЭ в норме 1,6 л/га. В фазу настоящих листьев на 3 листе распущен (код ВВСН 13) комплекс препаратов: препарат фирмы BASF Базагран, ВР - 2 л/га и для уничтожения вредных насекомых (тля, клопы) применяли инсектицид фирмы ООО "Syngenta" Карате Зеон, МКСнорма расхода 0,4 л/га. За две недели до уборки проводили десикацию препаратом Реглон Супер, ВР - 1,5 л/га. Уборку производили 25 сентября (2013г.), 17 сентября (2014г.), 17 сентября (2015г.) прямым комбайнированием. 2.3 Методы исследований Для оценки параметров роста и развития растений сои проводили фенологические наблюдения в течении всего вегетационного периода. Начало фенологических фаз развития сои отмечали при наличии признаков у 10% растений, а полное ее наступление –у 75% растений. 78 Учет надземной и корневой фитомассы, проводили согласно методике Г.С. Посыпанова (1991). Сухую массу растения устанавливали весовым методом после высушивания в сушильном шкафу при температуре 105ºС. Учет количества и массы клубеньков на корнях растений осуществлялся методом монолитов (Посыпанов, 1991). Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена (Чундерова, 1980) в модификации А.С. Шаина (1990). Для этого с площади 0,25 м2 выкапывали корни изучаемых растений и отмывали их от почвы. Затем корни (5 штук) помещали в герметичные стеклянные сосуды объемом 100 мл, куда с помощью шприца закачивали ацетилен в количестве 10% от объема сосуда. Через час в каждый сосуд вводили шприцем 2,5% раствор формалина (2,5 мл), который останавливал реакцию восстановления ацетилена. Затем брали газовую пробу из сосуда с корнями и анализировали на газовом хроматографе "ФГХ-1" (ООО "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭКАН"). Количество фиксированного азота определяли расчетным методом (Орлов, 1984). Анализ функционального состояния фотосинтетического аппарата сортов проводили методом регистрации индукции флуоресценции хлорофилла листьев у интактных растений с использованием портативного прибора Mini-PAM немецкой фирмы Walz (Bilger&Schreiber, 1995). Площадь ассимиляционной листовой поверхности определялась весовым методом (Корнилов, 1971) с применением портативного фотопланиметра марки LI ЗОООС, фирмы LI-COR. Фотосинтетический потенциал (ФП) определяли по методике Ничипоровича А.А. и др. (1961). Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) рассчитывали как частное от деления прироста сухой массы на ФП (Синякова, Иванова, 1981). Интенсивность фотосинтеза определяли на интактных растениях в режиме реального времени с помощью портативного газоанализатора марки Li–COR – 6400 по оригинальной методике фирмы Li–COR. Уровень использования солнечной радиации посевами (КПД ФАР) рассчитывали, используя формулу Х.Г Тооминга (1969): 79 У фак q 10 4 Q K m , где𝜂 - КПД ФАР культуры, %; q - теплотворная способность (калорийность) сельскохозяйственных культур (урожая), кДж/кг (на абсолютно сухое вещество) (Кадыров, Федотов, 2005); Уфак – урожайность, кг/га; К𝑚 - доля основной продукции в общей фитомассе полевых культур (Кадыров, Федотов, 2005); ∑ 𝑄 приход фотосинтетической активной радиации (ФАР), кДж/см2 (Барашкова и др., 2001). Изучение структуры урожая у растений, отобранных в фазу полной спелости, проводили согласно методике Госсортсети (1971). Урожайность сои определяли путем взвешивания зерна, убранного с каждой делянки прямым комбайнированием. Биохимическая оценка качества зерна сои проводилась с помощью анализатора зерна Infratec™ 1241 по оригинальной методике (Foss). Расчёт экономической эффективности выполнен на основе типовых технологических карт хозяйства, а также исходя из фактического уровня цен на материально-технические ресурсы и сельскохозяйственную продукцию. Биоэнергетическая оценка эффективности производства сои проведена с использованием методики Е.Н. Базарова и Е.В. Глинки «Биоэнергетическая оценка технологий производства продукции растениеводства» (1983). Полученные экспериментальные данные подвергнуты статистическому анализу с учетом методических рекомендаций Б.А. Доспехова (1985) и с помощью приложения CXSTATк компьютерной программе Excel. 80 3 РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ Своевременные, дружные и полноценные всходы оптимальной густоты один из главных факторов получения высоких и устойчивых урожаев с хорошим качеством продукции. Известно, что для получения высокого урожая сои, как и любой другой сельскохозяйственной культуры, необходимым условием является наличие оптимальной густоты стояния растений (Терехов и др., 1997, 2000;Корягин, 2009), зависящей от комплекса биотических и абиотических факторов. Результаты проведенных нами исследований показали, что в среднем за три года изучаемые сорта не сильно отличались по данному показателю, но самой низкойгустотой стояния (0,49 млн. шт./га) отличался сорт Бара, что, возможно, связано с высокой чувствительностью семян к неблагоприятным условиям в период прорастания (засуха, водный и тепловой режимы). Максимальная густота стояния была отмечена у сорта Красивая меча (0,53 млн. шт./га). По фонам минерального питания растений не было выделено сильных отличий. Применяемые в опытах мелиоранты биологического и химического происхождения оказали стимулирующее действие на густоту стояния растений сои (табл. 2). Таблица 2 –Густота стояния растений в фазу всходов, млн. шт./га (среднее за 2013-2015 гг) Красивая меча Показатель Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 0,56 0,50 0,52 0,53 0,50 0,47 2. Штамм 634б 0,64 0,66 0,64 0,55 0,57 0,51 3. Pseudomonas 0,65 0,56 0,63 0,57 0,55 0,59 4. Variovorax 0,67 0,53 0,56 0,60 0,52 0,63 0,68 0,56 0,61 0,66 0,64 0,62 0,69 0,58 0,56 0,59 0,51 0,59 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 81 Так, например, комплексное применение ризобий и ассоциативных ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью у сорта Красивая меча на полном минеральном фоне позволило увеличить густоту стояния растений в среднем на 22,3%, по сравнению с контролем. Благодаря ростстимулирующему действию штамма клубеньковых бактерий 634б, а также интродукции в почву ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonasу сорта Бара на фоне NPK100% удалось достичь максимальной густоты стояния растений, превышающей контрольный уровень на 28%. У сорта Свапа положительную динамику по густоте стояния растений показал тот же вариант, что и у сорта Бара, но только на неполном минеральном фоне, и составил 0,66 млн. шт./га. Следует отметить, что применяемые в опыте агроприемы оказали стимулирующее действие на все варианты вне зависимости от сорта и фона минерального питания. Полученные нами экспериментальные данные позволили также установить положительное влияние различных групп симбиотических микроорганизмов и минеральных удобрений на линейный рост растений сои (табл. 3). Таблица 3 – Высота растений различных сортов сои, см (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг) Красивая меча Показатель Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 40,65 45,78 50,63 49,75 47,26 46,86 2. Штамм 634б 47,53 50,77 55,54 57,90 54,22 51,19 3. Pseudomonas 43,75 44,47 51,10 64,22 57,20 52,58 4. Variovorax 44,47 49,60 50,75 63,74 51,66 51,67 48,34 49,65 54,20 64,93 56,46 51,46 52,34 49,61 54,68 57,35 54,37 49,61 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax За три года исследования сорт Свапа характеризовался наиболее высокими растениями, превосходящий сорта Красивая меча и Бара в среднем на 16,1 и 6,7%, 82 соответственно. У сортов Свапа и Бара наибольшие показатели по высоте растений были на полном минеральном фоне, тогда как у сорта Красивая меча при снижении использования удобрений. Также следует отметить, что применяемые агроприемы оказали стимулирующее действие на все варианты у всех сортов не только на густоту стояния растений , но и на их высоту. Наиболее отзывчивым на применение микроорганизмов был сорт Свапа на фоне NPK70%, здесь можно выделить два наилучших варианта: внесение ассоциативных ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью рода Pseudomonas, а также их комплексное применение с клубеньковыми бактериями, которые увеличили высоту растений в среднем на 29,8%, по сравнению с контролем. Для сорта Бара наиболее эффективными оказались варианты, что и у сорта Свапа, но только на полном минеральном фоне, позволившие увеличить высоту растений на 21 и 19,5%, соответственно. Наибольшее стимулирующее действие на высоту растений сорта Красивая меча на полном минеральном фоне оказало комплексное внесение ризобий и ассоциативных ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью, превосходящие контрольный вариант на 18,9 и 28,8%, соответственно. При этом используемые нами приемы регуляции РМВ не оказали существенного воздействия на продолжительность вегетационного периода и составляющих его фаз развития у различных сортов сои. Однако была выявлена разница между сортами (табл. 4). Таблица 4–Продолжительность фенологических фаз сортов сои, дни (среднее за 2013 - 2015 гг) Сорт Красивая меча Свапа Бара Посев – всходы 8 8 8 Всходы – цветение 27 26 28 Цветение – созревание 8 7 9 Продолжительность вегетационного периода 97 94 99 83 Максимальной продолжительностью вегетационного периода характеризовался сорт– Бара. В связи с этим его вегетационный период по сравнению с остальными сортами (Красивая меча и Бара) был больше в среднем на 3 суток, что по нашему мнению связано с особенностями физиологических процессов в растениях данного сорта. У сорта Свапа всходы появились раньше, чем у других сортов в среднем на 1 сутки и по своему развитию данный сорт превосходил другие сорта, по нашему мнению, это может быть связано с более быстрыми темпами роста его зародышевых корней. Сорт Красивая меча по своему вегетационному периоду занимал промежуточное место среди изучаемых сортов. Заключения по главе: Биотические и абиотические факторы, изучаемые в наших опытах, оказывали ростстимулирующее действие на посевы различных сортов сои. При этом была выявлена ярко выраженная сортовая специфичность. Сорт Свапана неполном минеральном фонепоказал положительную реакцию на инокуляцию клубеньковых бактерий 634б и интродукцию в ризосферу ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonas, что выражалось вактивизации густоты стояния в 1,2 раза и в повышении высоты растений в 1,3 раза, по сравнению с контролем. У данного сорта отмечена минимальная продолжительность фенологических фаз. Наибольшее ростстимулирующее действие в посевах сорта Барана фоне NPK100%оказало комплексное использование ризобий и ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonas, которое способствовало повышению густоты стояния растений на 28%, по сравнению с контролем. Также было отмечено положительное влияние на формирование высоты растений данного сорта в вариантах с внесением ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonas отдельно и в комплексе с клубеньковыми бактериями, которые позволили повысить данный показатель в среднем на 20,3%.Максимальной продолжительностью фаз развития 84 растений всходы – цветение и цветение – созревание характеризовался данный сорт. Наиболее эффективным у сорта Красивая мечана полном минеральном фоне оказались варианты с комплексным внесением ризобий и микроорганизмов с АЦК-дезаминазным эффектом, которые позволили увеличить густоту стояния растений и их высоту в среднем на 22,3 и 20,3%, по сравнению с контролем. 85 4 СИМБИОТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП СИМБИОТИЧЕСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ И УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ Поскольку соя является высокобелковой зернобобовой культурой, и большую часть своей потребности в азоте, необходимом для синтеза белка, удовлетворяет за счет симбиотических взаимодействий с клубеньковыми бактериями, важным критерием оценки эффективности приемов ее возделывания является симбиотическая активность растений. Результаты наших исследований показали, что в среднем за 3 года, в почве опытного участка присутствовали аборигенные штаммы клубеньковых бактерий, которые образовывали активные клубеньки на корнях изучаемых сортов сои, причем наиболее активные РМВ выявлены на полном фоне минерального питания растений (табл. 5). Таблица 5 – Основные показатели симбиотической деятельности различных сортов сои, (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) Показатель Кол-во клубеньков на 1га, млн. шт. Масса клубеньков на 1 га, кг Нитрогеназная активность, нмольС2Н4/раст./час Азотфиксирующая способность, кг/га Доля симбиотически фиксированного азота в урожае зерна, % Красивая меча Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 0,90 0,53 2,92 0,65 2,57 0,29 38,59 9,49 29,99 18,49 29,98 3,97 90,25 64,70 503,61 569,59 228,04 92,84 2,87 5,40 13,41 15,38 5,53 2,16 4,00 0,26 11,54 14,35 4,44 0,28 Наибольшее количество клубеньков при взаимодействии с местными популяциями клубеньковых диазотрофов в фазу начала цветения сформировал сорт Свапа, по количеству клубеньков на растении он превосходил остальные 86 сорта в среднем в 2,5 и 1,3 раза, соответственно. По массе клубеньков данный сорт также занимал лидирующую позицию. Количество усвоенного молекулярного азота в агроценозах сои напрямую зависело от активности нитрогеназного комплекса. Количество фиксированного азота у сорта Свапа на фоне NPK70% составило 15,38 кг/га, что в 2,9 раза больше чем у сорта Красивая меча, и в7,1 раза больше сорта Бара, на данном агрофоне. У сорта Бара наибольшая азотфиксирующая способность была отмечена в том же варианте, что и у сорта Свапа, но только на полном фоне минерального питания и составила 5,53кг/га. Для сорта Красивая меча были характерны наименьшие как биометрические, так и функциональные параметры симбиотической системы. Известно, что критериями эффективности комплементарного взаимодействия макро- и микросимбионтов являются количество и масса клубеньков, которые, в основном, коррелируют с интенсивностью фиксации атмосферного азота (Höflich, Weise, 1992; Даценко, Лагута, Старченков, 1997). В то же время, использование симбиотических микроорганизмов позволило активизировать симбиотическую деятельность сои. При этом их эффективность, главным образом, зависела от сорта (табл. 6). Необходимо отметить, что наибольшие показатели нодуляционной способности растений сои были отмечены на полном фоне минерального питания растений у всех сортов. Сорт Свапа в среднем за три года отличался наиболее мощным симбиотическим аппаратом, формируя максимальное количество клубеньков, и был наиболее отзывчив на факторы биологизации, по сравнению с другими сортами. Наиболее эффективными вариантами в плане нодуляции корней для данного сорта были моноинокуляция производственным штаммом клубеньковых бактерий 634б, а также ихкомплексное использование с АЦК-утилизирующими ризобактериями рода Pseudomonas и Variovorax. Для сорта Бара максимальное количество клубеньков было отмечено на контроле, а вот максимальный показатель массы был отмечен при комплексном 87 внесении ризобий и ризобактерий рода Pseudomonas, превысив контроль на 99,1%. Для сорта Красивая меча наиболее эффективным оказался агроприем с внесением селективного штамма клубеньковых бактерий 634б, это привело к увеличению количества клубеньков в 3,6 раза, по сравнению с контролем. В варианте с комплексном внесением клубеньковых бактерий и АЦК- утилизирующих ризобактерий рода Pseudomonas было отмечено наибольшие показатели по массе клубеньков, превосходящие контроль в 3,4 раза, соответственно. Таблица 6 – Нодуляционная способность различных сортов сои в зависимости от условий питания, (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг) Кол-во клубеньков, млн. шт./га Варианты* Красивая меча Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 0,90 0,53 2,92 0,65 2,57 0,29 2. Штамм 634б 3,23 2,22 5,12 1,15 1,63 1,66 3. Pseudomonas 1,68 0,44 4,23 0,49 2,33 0,13 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 1,21 1,46 3,35 1,10 0,99 0,36 2,19 2,20 4,51 2,93 2,36 1,63 1,63 1,73 4,67 2,13 1,77 1,44 29,98 3,97 Масса клубеньков, кг/га 9,49 29,99 18,49 1. Контроль 38,59 2. Штамм 634б 107,08 60,34 132,98 36,38 38,99 29,36 3. Pseudomonas 94,24 16,27 43,05 12,47 30,81 5,37 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 60,48 33,99 53,85 27,19 14,44 6,31 130,58 84,32 100,90 121,09 59,69 47,14 106,11 83,66 105,16 59,96 28,73 50,94 Необходимо отметить, что совместное использование ризобий и ассоциативных ризобактерий в агроценозах у всех сортов также было эффективным и при неполной дозе NPK, способствуя образованию более крупных 88 клубеньков. Вероятно, данный положительный эффект АЦК-утилизирующих ризобактерий связан с их ростстимулирующим действием на растения в условиях стресса, усилением корневой экссудации, активизирующей жизнедеятельность почвенной микрофлоры и определяющей хемотаксис. В частности благодаря ферменту АЦК-дезаминазе мог быть ослаблен биосинтез стрессового фитогормона этилена, который препятствует образованию азотфиксирующего симбиоза бобовых с ризобиями (Guinel, Geil, 2002; Белимов, 2008). Приемы регуляции РМВ наряду с улучшением нодуляции корней, способствовали повышению функциональной активности клубеньков. Величину симбиотического аппарата характеризует количество клубеньков, а интенсивность его работы – нитрогеназная активность. Вместе с тем, при анализе функциональной активности клубеньков у изучаемых генотипов нами была выявлена сортоспецифичность по отношению к уровню минерального питания (табл. 7). Таблица 7 – Нитрогеназная активность сои в зависимости от используемых агроприемов, нмольС2Н4/раст./час, (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) Красивая меча Показатель Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 90,25 445,07 503,61 569,59 228,04 92,84 2. Штамм 634б 425,02 1149,34 1027,90 1130,50 352,91 366,84 3. Pseudomonas 474,24 491,94 775,85 628,29 411,98 205,39 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 922,37 946,89 424,05 523,11 487,42 412,63 1066,55 883,13 1149,38 1908,41 1069,22 548,83 2033,22 1693,47 1328,96 1677,72 773,26 608,61 457,23 362,70 495,95 91,06 216,43 1230,79 91,93 641,85 410,75 514,50 399,98 1059,00 79,78 474,13 186,25 2013г. НСР0,5 2014г. 682,28 400,48 2015г. Отсутствие в работе у сорта Красивая меча в 2013 году данных одного фона минерального питания (NPK70%),связано с неблагоприятными условиями, сложившимися в начале вегетационного периода культуры (низкие 89 положительные температуры воздуха и большое количество осадков в фазу всходов) и вызвавшими массовое выпадение растений у данного сорта. За три года исследований сорт Бара был наименее отзывчив на изменение условий питания растений и смену партнеров симбиоза. Так, по сравнению с другими сортами (Красивая меча и Свапа) у него были отмечены минимальные показатели активности нитрогеназного комплекса. Возможно, такая реакция сорта связана с особенностью качественного состава его корневых выделений, которые в совокупности с условиями выращивания определяют активность почвенных микроорганизмов и эффективность их взаимодействия с макросимбионтом (Lynch, 1990; Кравченко, 2000). Наибольшие показатели нитрогеназной активности были отмечены у сорта Свапа, превосходящие сорта Красивая меча и Бара в среднем в 2 и 3,3раза, соответственно Следует обратить также внимание, что у сортов Красивая меча и Свапа наибольшие показатели нитрогеназной активности были отмечены на неполном фоне минерального питания, тогда как у сорта Бара на полном фоне. Применяемые агроприемы оказали стимулирующее действие на все варианты вне зависимости от сорта и фона минерального питаний растений. У сорта Свапа комплексное внесение ризобий и бактерий рода Pseudomonas обеспечили максимальную активность нитрогеназного комплекса на фоне минерального питания NPK70%, которая составила 1908,41нмольС2Н4/раст./час, что в 3,4 раза больше по сравнению с контролем. В то время как растения сорта Бара формировали наиболее функционально активные клубеньки при внесении 100%-ной дозы минеральных удобрений. Максимальный биологический эффект был достигнут клубеньковыми и ассоциативными микроорганизмами при рода инокуляции Pseudomonas, благодаря чему нитрогеназная активность превысила контрольный уровень в 4,7 раза. Для сорта Красивая меча максимальную активность нитрогеназного комплекса на фоне NPK100%обеспечили микроорганизмы рода Variovorax, 90 которая составила 2033,22нмольС2Н4/раст./час, что в 22,5 раза больше по сравнению с контролем. Активизация симбиотической деятельности агроценозов сои под воздействием экзогенной регуляции РМВ способствовала повышению усвоения ими азота воздуха и включению его в биологический синтез (рис. 9). NPK 100% NPK 70% 70 60 кг N/га 50 40 30 20 10 0 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. * *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax *NPK-100%-НСР0,52014-23,1;НСР0,52015-18,9 NPK-70%-НСР0,52013-12,4;НСР0,52014-30,1;НСР0,52015-8,7 Рисунок 9 - Количество азота воздуха, фиксируемое агроценозами сорта Красивая меча, кг/га (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) Количество усвоенного молекулярного азота в агроценозах сои напрямую зависело от активности нитрогеназного комплекса. Так, в результате комплексного внесения в ризосферу клубеньковых и ассоциативных бактерий рода Variovoraxу сорта Красивая меча максимальное количество биологического азота на 1 га возросло в 23 раза, по сравнению с контролем, на полном минеральном фоне. У сорта Свапа на фоне минерального питания NPK70% максимальный показатель нитрогеназной активности был отмечен в варианте с комплексным внесением ризобий и ризобактерий рода Pseudomonas,который составил 91 62,44кг/га, что в 4,1; 2,2; 3,6; 3,9; 1,5 раза больше по сравнению с другими вариантами, соответственно (рис. 10). NPK 100% NPK 70% 70 60 кг N/га 50 40 30 20 10 0 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. * *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax *NPK-100%-НСР0,52013-7,8;НСР0,52014-28,5;НСР0,52015-20,0. NPK-70%-НСР0,52013-14,6;НСР0,52014-17,5;НСР0,52015-16,1. Рисунок 10 - Количество азота воздуха, фиксируемое агроценозами сорта Свапа, кг/га (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) В целом, сорт Бара отличался более низкой азотфиксирующей способностью по сравнению с другими сортами. Максимальное количество симбиотически фиксированного азота в агроценозах данного генотипа было отмечено в варианте с комплексным использованием ризобий и псевдомонад при внесении полной дозы минеральных удобрений на планируемый урожай и достигало 27,16 кг/га (рис. 11). 92 NPK 100% NPK 70% 30 25 кг N/га 20 15 10 5 0 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. * *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax *NPK-100%-НСР0,52013-3,1;НСР0,52014-23,9;НСР0,52015-23,0. NPK-70%-НСР0,52013-4,9;НСР0,52014-12,9;НСР0,52015-7,0. Рисунок 11 - Количество азота воздуха, фиксируемое агроценозами сорта Бара, кг/га (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) В результате проведенных нами исследований для каждого изучаемого сорта нами были выявлены варианты, оказавшие наиболее сильное влияние на формирование и активность РМС. При этом эффективность интродуцируемых микросимбионтов, главным образом, зависела от сорта и уровня минерального питания растений. Заключения по главе Для сорта Свапа наибольший стимулирующий эффект ассоциативных бактерий на бобово-ризобиальный симбиоз был выражен сильнее на неполном минеральном фоне. Данный сорт формировал наиболее эффективные растительно-микробные системы за счет комплексного внесения ризобий и ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonas, что наряду с повышением линейных и функциональных параметров симбиотической деятельности растений позволило им фиксировать до 62 кг азота воздуха на 1 га. 93 Тогда как для сортов Красивая меча и Бара наиболее благоприятной в плане азотфиксации была полная доза минеральных удобрений на планируемый урожай. Наиболее эффективными способами экзогенной регуляции РМВ в агроценозах сорта Красивая меча на фоне NPK100% было комплексное внесение производственного штамма клубеньковых бактерий 634б и ризобактерий рода Variovorax, которые позволили растениям усваивать из воздуха до 67кг азота, что обусловлено формированием мощного и активного симбиотического аппарата. У сорта Бара на полном минеральном фоне на симбиотическую деятельность наиболее существенное действие оказало совместное внесение штамма 634б и интродукция в ризосферу ассоциативных микроорганизмов рода Pseudomonas, которые способствовали максимальному повышению нодуляции корней и активности нитрогеназного комплекса. 94 5 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП СИМБИОТИЧЕСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ Наиболее тесные взаимосвязи растений с микроорганизмами прослеживаются на примере сопряжения двух процессов – азотфиксации и фотосинтеза, которые лежат в основе продуктивности растительного организма (Романов, 1983; Звягинцев, Добровольская, Лысак, 1993). Продуктивность агрофитоценоза в значительной степени зависит от динамики формирования фотосинтетического аппарата. Поэтому управление процессом фотосинтеза – один из наиболее эффективных путей повышения урожая культур (Ничипорович, 1955, 1963; Шатилов, Голубева, 1969; Мамонов, 2006). Активизация фотосинтетической деятельности растений вызывает активизацию микроорганизмов азотфиксаторов и минерализаторов в ризосфере, обеспечивая в итоге усиление притока доступных форм азота в клетки корней (Умаров, 1982). Иными словами фотосинтез снабжает симбиотический аппарат субстратами для дыхания и фиксации восстановленного азота в составе органических соединений, а клубеньки, в свою очередь, обеспечивают растение азотом, необходимым для синтеза ферментов, структурных белков и пигментов фотосинтетического аппарата (Слесаравичус, 2001; Киризий, Воробей, Коць, 2007). Cвязь между фотосинтезом и азотфиксирующей активностью обусловлена влиянием большого числа внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) факторов, таких как обеспеченность растений минеральным азотом (Коць, Голик, Левчук, 1999; Valladares, Villar-Salvador, Dominguez, 2002) и фосфором (Shabayev, Smolin, Mudrik, 1996), водный режим (Kaelke, Dawson, 2003), температура, освещенность (Новичкова, Романова, Маслов, 1994), фаза вегетации, активность штамма ризобий (Boller, Heichel, 1984; Коць, Голик, Старченков, 1995) и т.д. Увеличение листовой поверхности улучшает процесс фотосинтеза и способствует накоплению большего количества сухого вещества, что является 95 основополагающим фактором увеличения урожая. В результате фотосинтетической деятельности листовой поверхности образуется 90-95 % сухой биомассы урожая и аккумулируется 100% энергии солнечной радиации (Ничипорович, 1972; Столяров, 2005). Согласно Абаеву (1994), урожайность сои в значительной степени зависит не от общей поверхности листьев, а лишь от ее части, на которую падают прямые солнечные лучи, то есть при условиях наиболее оптимальных для фотосинтетической деятельности листового аппарата. В целом продуктивность растений определяется размером ассимиляционного аппарата, продолжительностью его работы и интенсивностью фотосинтеза (Столяров, 2005). Как известно, величина площади листьев, фотосинтетический потенциал, продуктивность фотосинтеза являются основными показателями фотосинтетической деятельности растений. Поэтому определение основных факторов фотосинтетической деятельности и закономерностей изменения процесса фотосинтеза должно лежать в основе всех мероприятий по повышению функционирования сельскохозяйственных культур как биологической экосистемы (Парахин, 2005; Боровой, 2009). Изучение фотосинтетических способностей сои позволило выявить существенные различия между генотипами, как на уровне линейных, так и функциональных параметров (табл. 8). Например, сорт Бара во все годы наших исследований отличался максимальными размерами фотосинтетического аппарата, превосходя сортаКрасивая меча в среднем на 25,5% и Свапа на 43,9%, соответственно. Следует отметить, что в среднем за три года исследований сорта Красивая меча и Свапа не имели существенной разницы по данному показателю. Наибольшие показатели площади листьев по уровню минерального питания растений у сортов Свапа и Бара были отмечены на полном фоне, тогда как у сорта Красивая меча на неполном. 96 В результате наши исследования показали, что изменение режима питания растений за счет применения симбиотических микроорганизмов и удобрений оказало стимулирующее действие на фотосинтетическую деятельность различных сортов сои. Таблица 8 – Площадь листьев у различных сортов сои в зависимости от условий выращивания, см2/раст. (фаза цветения, среднее за 2013-2015гг) Варианты Красивая меча Свапа Бара 1. Контроль NPK 100% 467,11 NPK 70% 597,00 NPK 100% 509,40 NPK 70% 418,83 NPK 100% 694,65 NPK 70% 640,92 2. Штамм 634б 552,78 645,60 648,58 850,85 651,82 765,57 3. Pseudomonas 711,97 762,99 602,66 686,98 976,77 833,55 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas. 6. Штамм 634б + Variovorax 538,75 676,98 670,15 651,90 766,03 730,13 677,01 736,17 769,88 739,52 1012,41 943,35 644,26 814,15 642,33 674,04 948,51 968,52 У сорта Бара максимальное увеличение площади листьев было отмечено в результате совместного использования ризобий и ризобактерий в независимости от минерального фона, что превысило контрольный уровень в среднем на 1,5 раза, по сравнению с контролем. Тогда как сорт Свапа на полном минеральном фоне формировал наиболее крупный фотосинтетический аппарат в результате комплексной интродукции клубеньковых бактерий и псевдомонад, а при сокращении дозы NPK на 30% был наиболее отзывчив на моноинокуляцию ризобиями, которые позволили увеличить площадь листьев в 2 раза по сравнению с контролем. Сорт Красивая меча на полном фоне минерального питания растений увеличивал площадь листьев в варианте с интродукцией ассоциативных бактерий рода Pseudomonas, а на фоне NPK70% в ответ на запрос фотоассимилятов со стороны микросимбионта, усиливал ростовые процессы в листьях, увеличивая площадь ассимиляционной поверхности при комплексном внесении ризобий и ризобактерий рода Variovorax, превысив контрольный вариант в 1,4 раза. 97 Положительное влияние PGPR на фотосинтетическую деятельность растений было продемонстрировано также в работе А.Н. Кшникаткина и В.А. Варламова (2001). Следует отметить, что площадь листовой поверхности изучаемых сортов варьировала по годам, что обусловлено различными погодными условиями, в частности влагообеспеченностью посевов, особенно в период генеративного развития. Подтверждением этому служат работы В.Т. Синеговской (2002), О.В. Столярова (2005), А.В. Амелина (2001) и мн. др., в которых показана зависимость площади листовой поверхности бобовых культур от погодных условий вегетационного периода. К тому же нам удалось установить, что изменение линейных параметров фотосинтетической и симбиотической деятельности у сорта Бара носит сопряженный характер, так как максимальный прирост площади ассимиляционной поверхности листьев совпадает с максимальной величиной симбиотического аппарата, что также отмечено в работе других исследователей (Парахин, Петрова, 2001). Улучшение условий питания растений за счет активизации растительномикробных взаимодействий также способствовало повышению их фотосинтетического потенциала, изменение которого находилось в прямой корреляции с изменением площади ассимиляционной листовой поверхности (табл. 9). За три года исследований наибольшие показатели фотосинтетического потенциала были получены у сорта Бара, превосходя остальные сорта в среднем на 40,5 и 54,3%, соответственно. У сорта Свапа наибольшие показатели были зафиксированы на полном фоне минерального питания, тогда как у сортов Красивая меча и Бара на неполном. Следует отметить, что у сорта Свапа были отмечены наименьшие показатели фотосинтеза, хотя по показателю азотфиксации он находился на первом месте. 98 Таблица 9 – Фотосинтетический потенциал различных сортов cои, м2*дней, (фаза цветения,среднееза2013-2015 гг) Красивая меча Варианты Свапа Бара NPK 100%% 5,06 NPK 70% 6,94 NPK 100%% 6,12 NPK 70% 4,81 NPK 100% 7,79 NPK 70% 9,07 2. Штамм 634б 7,09 7,59 7,96 9,77 7,38 11,84 3. Pseudomonas 8,78 8,93 6,87 8,00 11,39 12,29 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 6,52 8,39 7,76 7,37 9,72 10,75 8,48 9,27 9,38 9,13 13,81 15,01 8,86 10,05 7,96 8,64 11,31 15,25 1. Контроль У сортов Бара и Свапа на полном минеральном фоне величина фотосинтетического потенциала в варианте с комплексным внесением ризобий и ризобактерий рода Pseudomonas увеличилась на 77,3 и 53,3%, соответственно, по сравнению с контролем. У сорта Бара на пониженном минеральном фоне удобрений при комплексном внесение производственного штамма клубеньковых бактерий 634б и ассоциативных ризобактерий с АЦК-дезаминазным эффектов были выделены наибольшие показатели фотосинтетического показателя, превышающие контроль в среднем на 66,8%. У сорта Красивая меча на фоне NPK70% величина фотосинтетического потенциала в варианте с комплексным внесением клубеньковых бактерий и ассоциативных ризобактерий рода Variovorax увеличилась на 44,8%, по сравнению с контролем. Согласно современным представлениям, фундаментом фотосинтеза являются первичные фотохимические реакции. Поэтому, с целью получения информации о функциональном состоянии фотосинтетического аппарата растений в зависимости от изменения условий питания, нами были изучены параметры квантового выхода фотосистемы II (ФС II) листьев изучаемых сортов сои (Yield) (рис. 12). 99 Существует мнение, что активно функционирующий симбиотический аппарат с высокой потребностью в ассимилятах, способствует их интенсивному оттоку из листьев, тем самым дополнительно стимулирует работу фотосинтетического аппарата (Quilici, Medina, 1998; Слесаравичус, Пранайтис, Духовский, 2001; Киризий, 2004), что подтвердилось в наших исследованиях. При неэффективном же взаимодействии партнеров интенсивность фотосинтеза, с одной стороны, ограничена низкой потребностью симбиотического аппарата в ассимилятах, с другой – недостатком азота (Сытников, Киризий, Маличенко, 2007). Свапа NPK 70% 0.700 0.650 Yield 0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 12 – Функциональная активность ФС II листьев сои Свапа в зависимости от факторов регуляции РМВ (фаза цветения, среднее за 2013-2014 гг) У сорта Свапа в вариантах с использованием производственного штамма клубеньковых бактерий и ассоциативных ризобактерий, характеризующихся наиболее высокой нитрогеназной активностью, была отмечена максимальная функциональная активность листьев сои, так как клубеньки, являясь мощными аттрагирующими центрами, нуждаются в большом количестве пластических веществ для обеспечения своих энергетических потребностей (Сытников, Коць, Маличенко, 2006; Мокроносов, 2006). В вариантах же с моноинокуляцией 100 клубеньковыми бактериями 634б и при внесении ассоциативных ризобактерий рода Variovorax функциональная активность листьев была ниже, чем на контроле. У сорта Бара в ответ на комплексное внесение клубеньковых бактерий 634б и ассоциативных ризобактерий, наряду с увеличением площади листьев, данные варианты повысили эффективность их работы: абсолютное значение квантового выхода увеличивалось на 7,1 и 10,9%, по сравнению с контролем.В вариантах же с интродукцией ассоциативных ризобактерий были зафиксированы показатели ниже контроля(рис. 13). Бара NPK100% 0.800 0.750 0.700 Yield 0.650 0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 13 – Функциональная активность ФС II листьев сои Бара в зависимости от факторов регуляции РМВ (фаза цветения, среднее за 2013-2014 гг) У сорта Красивая меча существенной разницы между вариантами не наблюдалось, только в варианте с внесением ассоциативных ризобактерий рода Pseudomonasфункциональная активность листьев увеличилась на 9%, по сравнению с контролем (рис. 14). 101 0.750 0.700 0.650 0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 14 – Функциональная активность ФС II листьев сои Красивая мечав зависимости от факторов регуляции РМВ (фаза цветения, среднее за 2013-2014 гг) В 2015 году генотипический интервал варьирования интенсивности фотосинтеза листьев сои, в фазу цветения, в зависимости от факторов интенсификации находился в пределах 0,3– 2,7μmol CO2/m2s (рис. 15). СвапаNPK70% БараNPK70% Красивая меча NPK70% 3 * μmol CO2/m2s 2.5 * 2 * 1.5 1 * * 0.5 * 0 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Достоверно при *Р0<0,05 Рисунок 15 - Интенсивность фотосинтеза различных сортов сои в зависимости от условий выращивания, μmol CO2/m2s (фаза цветения, 2015г.) 102 Сорт Красивая меча отличался максимальной интенсивностью фотосинтеза и превышал по данному показателю сорта Свапа в 3,3 раза и Бара в 1,3 раза. Среди изученных вариантов максимальной активностью поглощения молекул СО2 листьями у сорта Бара обладал вариант с комплексным внесением ризобий и ризобактерий рода Variovorax, превосходящий контроль в 2,1 раза. В ответ на интродукцию различных групп микроорганизмов у растений сои наряду с изменением параметров мезоструктуры листьев и их функциональной активности повысился уровень использования солнечной энергии. По мнению Насырова (1979), если удастся увеличить КПД использования ФАР сельскохозяйственными культурами с 0,5…1% до 4…5%, то урожайность может приблизиться к максимально возможному уровню. Однако анализ литературных данных показывает, что в процессе селекции интенсивность фотосинтетической деятельности не увеличивается, а в ряде случаев напротив, уменьшается (Мокроносов, 1988, Evans, 1974). В ответ на интродукцию различных групп микроорганизмов у растений сои наряду с изменением параметров мезоструктуры листьев, увеличился уровень использования солнечной энергии (табл. 10). Таблица 10 –Уровень использования солнечной энергии агроценозами сои в зависимости от формирования РМС, КПД ФАР, %(среднееза2013-2015гг) 1. Контроль Красивая меча NPK NPK 100% 70% 1,09 1,08 NPK 100% 1,19 NPK 70% 0,97 NPK 100% 1,02 NPK 70% 0,97 2. Штамм 634б 1,16 1,13 1,48 1,32 1,54 1,26 3. Pseudomonas 1,07 1,23 1,30 1,26 1,40 1,16 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 1,15 1,22 1,31 1,10 1,41 1,10 1,23 1,16 1,32 1,56 1,69 1,23 1,19 1,28 1,48 1,40 1,55 1,32 Варианты Свапа Бара У сорта Свапа КПД ФАР надземной фитомассы в годы исследований в большей степени возрос в варианте с комплексным внесением штамма 634б и 103 ризобактерий рода Pseudomonas при сокращении дозы минеральных удобрений на 30%, превысив контрольный показатель на 60,8 %. Сорта Бара достигал максимального значения данного показателя в том же варианте, но на полном минеральном фоне удобрений, превысив контроль на 65,7%. У сорта Красивая меча на фоне NPK70% наибольшие показатели КПД ФАР надземной фитомассы в годы исследований были в варианте с комплексным внесением клубеньковых бактерий и ризобактерий родаVariovorax, превысив контрольный показатель на 18,5 %. Заключения по главе: Создание эффективных РМС с повышенной азотфиксирующей активностью в агроценозах сои было сопряжено с усилением их фотосинтетической деятельности. При этом реакция изучаемых сортов на интродукцию микроорганизмов была различной и зависела от уровня минерального питания растений. Сорт Свапа на пониженном минеральном фоне, удовлетворял потребность азотфиксирующих бактерий в энергоресурсах за счет повышения эффективности первичных процессов фотосинтеза. Сорт Бара в ответ на активный запрос фотоассимилятов со стороны микросимбионта на полном минеральном фоне усиливал параметры мезоструктуры листа, наряду с высокой эффективностью симбиотической деятельности. Сорт Красивая мечапри снижении использования минеральных удобрений на 30% в большей степени усиливал ростовые процессы в листьях, увеличивая их площадь. 104 7 УРОЖАЙ И ЕГО КАЧЕСТВО У РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ СОИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИНТРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ 7.1 Урожайность различных сортов сои в зависимости от факторов РМВ Полученные нами экспериментальные данные показали, что в среднем за три года исследований изучаемые сорта сои не отличались по урожайности (табл. 11). Таблица 11 – Хозяйственная эффективность возделывания различных сортов сои, (среднее за 2013-2015гг) Показатели Урожайность, т/га Содержание белка в зерне, % Сбор белка с урожаем, т/га Содержание жира в зерне, % Красивая меча Свапа Бара NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 2,23 2,20 2,43 1,98 2,07 1,99 35,20 32,90 32,47 31,30 34,03 34,03 0,78 0,75 0,79 0,62 0,71 0,68 19,65 20,07 22,97 22,63 22,13 22,50 Наибольшей продуктивностью агроценозы сои отличались при внесении полной дозы минеральных удобрений на планируемый урожай, в результате чего сбор зерна с 1 га у сортов Красивая меча, Свапа и Бара был выше, чем при внесении 70%-ной дозы NPK на 1,4; 22,7 и 4%, соответственно. По содержанию белка и жира генотипы находились относительно на одном уровне. Интенсификация основных физиологических процессов растений в условиях эффективного симбиоза способствовала повышению реализации потенциала продуктивности изучаемых сортов. 105 Результаты наших исследований показали, что в среднем за 2013-2015 гг. сорт Свапа был отзывчив на все используемые в опыте приемы регуляции РМВ (табл. 12). Таблица 12 – Урожайность сорта Свапа в зависимости от регуляции РМВ, т/га Свапа 2014г. 2013г. Варианты 2015г. NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 2,14 1,84 2,40 2,08 2,75 2,04 2. Штамм 634б 3,23 3,33 2,78 2,43 3,03 2,33 3. Pseudomonas 2,46 2,46 2,50 2,80 3,00 2,46 4. Variovorax 2,18 2,27 2,85 2,20 3,00 2,25 2,96 3,64 2,67 2,80 2,46 3,08 3,17 3,61 2,87 2,55 3,03 2,44 2,69 2,86 2,68 2,48 2,88 2,43 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Среднее 2,78 НСР0,5 0,9 2,58 0,4 0,5 2,66 0,5 0,5 0,5 При этом максимальную прибавку урожайности у данного сорта, вне зависимости от года возделывания, на фоне снижения минерального питания обеспечила интродукция в ризосферу растений микроорганизмов с АЦКдезаменазной активностью рода Pseudomonas и селективного штамма клубеньковых бактерий 634б, в результате которой сбор зерна с гектара превысил контрольный показатель в среднем в 1,8 раза. По нашему мнению, такой положительный эффект обусловлен биологического потенциала сорта наиболее за счет полной реализацией формирования его эффективной симбиотической системы при уменьшенной дозе NPK. Вероятно, растения данного генотипа в условиях тройного симбиоза за счет ростстимулирующей и защитной функций микроорганизмов могут более эффективно использовать питательные вещества почвы, что позволяет повысить их стрессоустойчивость и продуктивность при снижении затрат на минеральные удобрения. 106 У сорта Бара результаты наших исследований показали, что за три года возделывания сорт был отзывчив на все используемые в опыте приемы регуляции РМВ (табл. 13). Таблица 13 – Урожайность сорта Бара в зависимости от регуляции РМВ, т/га Бара 2014г. 2013г. Варианты 2015г. NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль 1,84 1,96 2,28 2,13 2,10 1,87 2. Штамм 634б 3,33 2,40 3,10 2,40 2,98 2,90 3. Pseudomonas 2,46 2,05 3,00 2,37 3,13 2,70 4. Variovorax 2,27 2,05 3,27 2,37 3,08 2,31 3,64 2,63 3,50 2,20 3,20 2,73 3,61 2,66 2,95 2,85 2,95 2,59 2,86 2,29 3,02 2,39 2,90 2,52 0,5 0,6 0,5 0,6 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Среднее 2,58 НСР0,5 0,8 2,71 2,71 0,5 Существенное повышение продуктивности агроценозов сорта Бара (на уровне 67%) удалось добиться также за счет данного агроприема, что и у сорта Свапа, но только на полном минеральном фоне. По нашему мнению, это связано с потребностью данного сорта в более высоком уровне минерального питания для формирования эффективных симбиозов с полезной почвенной микрофлорой (Белимов, 2010). Отсутствие урожайности в 2013 году у сорта Красивая меча данных одного фона минерального питания (NPK70%), связано с неблагоприятными условиями, сложившимися в начале вегетационного периода культуры (низкие положительные температуры воздуха и большое количество осадков в фазу всходов) и вызвавшими массовое выпадение растений у данного сорта (табл. 14). 107 Таблица 14 – Урожайность сорта Красивая меча в зависимости от регуляции РМВ, т/га Красивая меча 2014г. 2013г. Варианты 2015г. NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% NPK 100% NPK 70% 1. Контроль – 2,43 1,83 2,20 2,63 1,97 2. Штамм 634б – 2,55 2,23 2,45 2,50 1,89 3. Pseudomonas – 2,72 1,63 2,70 2,75 2,09 4. Variovorax – 2,73 2,05 2,63 2,65 2,11 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax – 2,83 2,28 2,38 2,75 1,88 – 3,17 2,25 2,68 2,60 2,00 – 2,74 2,74 1,98 2,50 2,65 1,99 – 0,3 0,5 Среднее НСР0,5 2,24 2,32 0,8 0,6 0,6 Сорт Красивая меча на фоне NPK70% формировал достаточно высокий урожай зерна в варианте с комплексным внесением селективного штамма клубеньковых бактерий 634б и ассоциативных бактерий рода Variovorax, превосходящий контроль на 19,1%. По нашему мнению, такой положительный эффект обусловлен наиболее полной реализацией его биологического потенциала сорта за счет формирования эффективной фотосинтетической системы при уменьшенной дозе NPK. В 2015 году на полном минеральном фоне исключение составили варианты с моноинокуляцией клубеньковыми бактериями 634б, а также их комплексное внесение с ассоциативными бактериями рода Variovorax, показатели по урожайности были ниже контроля. 108 7.2 Качество урожая и белковая продуктивность Химические элементы, поглощаемые растениями из почвы, удобрений и окружающей среды в разных количествах, играют определенную биохимическую и физиологическую роль и ответственны за синтез тех или иных веществ в растительном организме (Протасова, Беляев, 2001). Для получения качественной продукции сельскохозяйственных культур необходимо оптимальное сочетание элементов питания, содержащихся в почве или вносимых с удобрениями. Однако большинство элементов питания содержатся в почве в недоступной форме, и только благодаря микробиологической деятельности 80% из них переходят в доступное состояние (Мишустин, клубеньковых доступности 1987). Многие ученые отмечают бактерий, ассоциативных питательных элементов из положительное микроорганизмов влияние на увеличение труднорастворимых соединений (Meyeretal., 1986; Кунакова, 1998; Vejsadovaetal., 1992; Шабаев, Смолин, 1992; Marsh, Schultze, 2001; Vance, 2001; Наумкина и др., 2005; Гончарова, Симонович, Казадаев, 2009). По мнению Л.М. Дорсинского (1985) и А.П. Кожемякова (1989) при рассмотрении возможности повышения эффективности фиксации азота бобовыми культурами необходимо учитывать, что положительное действие ризобий, определяемое только по величине урожая, не полностью отражает их эффективность, так как инокуляция может значительно повышать содержание белка в растениях. Однако проявление действия микробных препаратов, как на урожайность, так и на качество зерна находится в высокой зависимости от складывающихся гидротермических условий в период вегетации, от уровня доступного растениям азота и от специфичности взаимодействий в конкретной системе «диазотрофный комплекс - растение» (Завалин, Пасынков, 2007). Нами изучено влияние мелиорантов биологического и химического происхождения на содержание белка в зерне различных сортов сои. 109 Полученные экспериментальные данные показали, что используемые в опытах приемы регуляции РМВ наряду с изменением количественных характеристик хозяйственно-полезной части урожая также способствовали повышению содержания белка в зерне изучаемых сортов сои (рис. 11). % Свапа NPK100% 41.00 Свапа NPK70% 39.00 37.00 35.00 33.00 31.00 29.00 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 11 - Содержание белка в зерне сорта Свапа в зависимости от регуляции РМВ, % (среднее за 2013-2015гг) Максимальное содержание белка в зерне у сорта Свапа на фоне NPK70% обеспечило комплексное использование ризобий и псевдомонад, превысившее контрольный показатель на 33,8%. В то время как для сорта Бара наиболее эффективным агроприемом в плане повышения качества урожая было использование моноинокуляции семян штаммом 634б совместно с интродукцией АЦК-утилизирующих ризобактерий рода Variovorax, которые позволили повысить белковость зерна по сравнению с контролем на 16,6% (рис. 12). 110 Бара NPK100% Бара NPK70% 37.00 35.00 % 33.00 31.00 29.00 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 12 - Содержание белка в зерне сорта Бара в зависимости от регуляции РМВ, % (среднее за 2013-2015гг) У сорта Красивая меча на фоне NPK70% в варианте с комплексным внесением ризобий и псевдомонад наряду с максимальным сбором зерна с 1 га способствовали повышению содержания в нем белка на 17,7%, по сравнению с контролем (рис. 13). Красивая меча NPK100% Красивая меча NPK70% 41.00 % 39.00 37.00 35.00 33.00 31.00 29.00 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 13 - Содержание белка в зерне сорта Красивая меча в зависимости от регуляции РМВ, % (среднее за 2013-2015гг.) 111 Следует отметить, что у сортов Свапа и Красивая меча повышение данного качественного показателя было отмечено во всех вариантах при формировании РМС. В свою очередь, повышение белковости зерна сои, в совокупности с высокой урожайностью агроценозов, при формировании эффективных РМС, способствовало увеличению сбора белка с единицы площади, который достигал 0,62 – 1,29 т/га в зависимости от сорта и уровня минерального питания (табл. 15). Таблица 15 -Сбор белка с урожаем различных сортов сои взависимости от регуляции РМВ, т/га (среднее за 2013-2015 гг) Красивая меча Варианты Свапа Бара NPK100% NPK70% NPK100% NPK70% NPK100% NPK70% 1. Контроль 0,78 0,72 0,79 0,62 0,71 0,68 2. Штамм 634б 0,93 0,86 1,05 0,91 1,10 0,87 3. Pseudomonas 0,88 0,94 0,93 0,87 1,03 0,78 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 0,94 0,93 0,89 0,81 1,02 0,77 1,00 0,91 1,01 1,29 1,26 0,87 0,91 0,94 1,08 1,05 1,16 0,99 Максимальное повышение белковой продуктивности изучаемых сортов обеспечили ассоциативные микроорганизмы рода Pseudomonas и Variovorax, интродуцируемые в комплексе с производственным штаммом клубеньковых бактерий. По нашему мнению, данный положительный хозяйственный эффект обусловлен повышением агроклиматическим фитогормона эффективности адаптации факторам этилена за счет растений снижения АЦК-утилизирующими бобово-ризобиального сои к биосинтеза бактериями симбиоза, неблагоприятным и улучшения стрессового повышения водного и минерального питания растений(Guinel, Geil, 2002; Белимов, 2008). К тому же метаболическая интеграция растений сои с полезными ризосферными микроорганизмами способствовала существенному изменению масличности зерна (табл. 16). 112 Таблица 16 - Содержание жира в зерне сортов сои в зависимости от регуляции РМВ, % (среднее за 2013-2015 гг) Красивая меча Варианты Свапа Бара NPK100% NPK70% NPK100% NPK70% NPK100% NPK70% 1. Контроль 19,65 20,07 22,97 22,63 22,13 22,50 2. Штамм 634б 21,75 23,17 22,33 23,57 22,43 23,17 3. Pseudomonas 21,50 21,43 23,43 24,27 22,97 22,33 4. Variovorax 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax 21,75 20,93 24,37 23,17 23,10 22,93 21,90 23,03 22,77 23,40 24,50 25,07 22,85 20,70 24,30 24,03 23,83 22,30 Сорт Бара формировал зерно с повышенным содержанием жира при внесении неполной дозы минеральных удобрений. Максимальная масличность зерна у данного сорта, превышающая контрольный уровень на 11,4%, была выявлена в варианте с комплексным использованием производственного штамма ризобий и псевдомонад и достигала 25,07%. У сорта Свапа наиболее высокий уровень масличности зерна обеспечили ризобактерии рода Variovorax на фоне NPK100%, как при моноинокуляции, так и при совместном использовании с клубеньковыми бактериями 634б, что превысило контрольный показатель в среднем на 6%. У сорта Красивая мечаувеличение масличности зерна также произошло на неполном минеральном фоне, но в варианте с моноинокуляцией производственным штаммом 634б, которое достигало 23,17%. 7.3 Доля азота воздуха в урожае С учетом количества атмосферного азота, фиксированного сортовыми посевами сои в зависимости от регуляции РМС, нами рассчитана его доля в урожае зерна (рис. 14). 113 По данному показателю лидирующую позицию в связи с максимальной азотфиксирующей активностью занимал сорт Свапа, у которого доля атмосферного азота в урожае составила 14,4%. На втором месте по вкладу данного биогенного элемента в урожай зерна был сорт Бара. Самый низкий уровень участия биологического азота в формировании хозяйственной части урожая у сорта Красивая меча. Помнению Т.С. Наумкиной (2008) комплементарный штамм клубеньковых бактерий может существенно увеличить содержание фиксированного азота в урожае бобовой культуры, что подтвердилось и в наших исследованиях. Использование же различных ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью позволило увеличить данный показатель. Красивая меча NPK100% Красивая меча NPK70% Свапа NPK100% Свапа NPK70% Бара NPK100% Бара NPK70% 40 35 % 30 25 20 15 10 5 0 1в. 2в. 3в. 4в. 5в. 6в. *1в. - Контроль, 2в. – Штамм 634б, 3в. - Pseudomonas, 4в. - Variovorax, 5в. - Штамм 634б + Pseudomonas, 6в. - Штамм 634б + Variovorax Рисунок 14 – Доля симбиотически фиксированного азота в урожае зерна различных сортов сои, % (среднее за 2013-2015 гг.) Так, у сорта Свапа на фоне NPK70% комплексное использование в качестве инокулята штамма 634б и ассоциативных бактерий с АЦК-дезаминазной активностью обеспечило максимальное участие симбиотически фиксированного 114 азота в формировании семенной продуктивности, где его доля составила 34,2 и 35,7%, соответственно. В результате интродукции в ризосферу сорта Бара на полном минеральном фоне ассоциативных бактерий рода Pseudomonas и моноинокуляции семян штаммом клубеньковых бактерий 634б доля биологического азота в формировании урожая возросла в 3,9 раза. У сорта Красивая меча на фоне NPK100% в варианте с комплексном внесением селективного штамма 634б ипсевдомонад, также позволило существенно увеличить долю азота в формировании урожая зерна у данного морфотипа (на уровне 22%). Заключение по главе: Результаты наших исследований показали, что используемые в опытах приемы регуляции РМВ наряду с изменением количественных характеристик урожая, способствовали повышению качества зерна изучаемых сортов. При этом степень данного влияния, главным образом, зависела от сорта. Для сорта Свапа на пониженном минеральном фоне наиболее эффективными с хозяйственной точки зрения были варианты с использованием штамма 634б и внесением ассоциативных бактерий рода Pseudomonas, которые обеспечили максимальный сбор зерна (3,17 т) и белка (1,29 т) с 1 га на 35,7%, состоящего из азота воздуха. Сорт Бара также был наиболее отзывчив на внесение ризобий и псевдомонад, но только на полном фоне минеральных удобрений, которые способствовали повышению урожая на 66,7%, увеличению сбора белка в 1,8 раза, по сравнению с контролем. При этом участие симбиотически фиксированного азота в формировании урожая зерна составило 17,3%. В свою очередь у сорта Красивая меча создание высокоэффективной растительно-микробной системы в варианте с комплексным внесением штамма 634б и ассоциативных бактерий рода Variovorax обеспечило максимальный хозяйственный эффект на уровне 19%. 115 8 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СОИ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ РМС 8.1 Экономическая эффективность возделывания различных сортов сои в зависимости от факторов РМС Эффективность агротехнических приёмов выращивания сортов, как известно, оценивается не только влиянием этих приемов на урожай и качество продукции, но и экономическими показателями. В настоящее время экономические показатели, такие как себестоимость производимой продукции, чистый доход и другие не могут являться полной объективной оценкой эффективности интенсификации производства сои, так как экономическая эффективность, а именно получение чистого дохода, во многом зависит от конъюнктуры рынка. Для оценки экономической эффективности сельскохозяйственного производства необходимы показатели, отражающие влияние различных факторов на процесс производства. Лишь система показателей позволяет провести комплексный анализ и сделать достоверные выводы об основных направлениях экономической эффективности сельскохозяйственного производства. Основными показателями экономической эффективности являются: выход продукции с 1 га, затраты труда и средства производства, чистый доход, себестоимость единицы продукции, уровень рентабельности. Важность урожайности, как экономического показателя состоит в том, что она отражает степень и эффективность использования земли. Следует отметить, что величина урожайности оказывает непосредственное влияние на величину других показателей. Для выявления экономического эффекта необходимо также знание совокупных затрат, которые обеспечили получение данной урожайности. Чистый доход представляет разность между стоимостью валового продукта и издержками производства на него. Чистый доход является основным 116 источником дальнейшего расширения производства. Его величина показывает насколько доходно производство. На себестоимости отражаются результаты всей деятельности: уровень урожайности, производительность труда и т.д. Она зависит также от уровня цен, по которым продукция реализуется, от ее качества. Уровень рентабельности показывает эффективность производства с точки зрения получения прибыли на единицу материальных и трудовых затрат по производству и реализации продукции. Расчёт экономической эффективности выполнен на основе типовых технологических карт, а также исходя из фактического уровня цен на материально-технические ресурсы и сельскохозяйственную продукцию. Нами была проведена оценка экономической эффективности возделывания различных сортов сои с применением микробиологических препаратов в сравнении с контрольным вариантом (без обработок). Проведенный экономический анализ показал, что изменение условий питания агроценозов сои при создании эффективных РМС, наряду с хозяйственным обеспечило также и положительный экономический эффект, который зависел от сорта и его индивидуальных потребностей в минеральном питании (табл. 14). За три года исследований максимальный экономический эффект у сорта Свапа при внесении меньшего количества минеральных удобрений (NPK70%),обеспечил комплекс препаратов на основе ризобий и псевдомонад, который за счет активизации азотфиксирующей функции растений позволил получить зерно сои с меньшей себестоимостью, снизив данный показатель по сравнению с контролем в 1,4 раза. Это, в свою очередь, дает возможность рентабельного производства более дешевого качественного белка при экономии затрат, связанных с внесением минеральных удобрений, в размере до 4 тыс. руб./га. 117 Таблица 14 – Экономическая эффективность возделывания сои Свапа на основе регуляции РМВ, (среднее за 2013-2015 гг) Урожайность, т/га Варианты Произв. Себестоимость затраты, 1т зерна, тыс. руб. тыс. руб. Свапа (NPK100%) Чистый доход, тыс. руб. Рентабельность, % 1. Контроль 2,43 14,16 5,82 22,55 159,27 2. Штамм 634 б 3,01 14,01 4,65 31,39 224,07 3. Pseudomonas 2,65 14,35 5,42 25,65 178,68 4.Variovorax 2,68 14,36 5,36 26,10 181,70 2,70 14,63 5,4 26,12 178,56 3,02 15,33 5,08 30,22 197,22 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Свапа (NPK70%) 1. Контроль 1,98 13,01 6,60 16,94 130,24 2. Штамм 634 б 2,70 14,22 5,27 26,53 186,49 3. Pseudomonas 2,57 14,09 5,49 24,71 175,35 4.Variovorax 2,24 14,03 6,26 19,82 141,28 3,17 14,47 4,57 33,33 230,37 2,87 14,41 5,02 28,89 200,42 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Следует обратить внимание, что у сорта Свапа наиболее экономически выгодными были варианты при снижении использования минеральных удобрений, но и при использовании полной дозы минеральных удобрений наблюдалась положительная динамика. Напротив, экономическая эффективность использования различных групп микроорганизмов в агроценозах сорта Бара повышалась с увеличением дозы внесения NPKв почву и достигала максимальных показателей в том же варианте, что и у сорта Свапа, при повышении чистого дохода в 2,2 раза и снижении себестоимости 1 тонны зерна на 59,1 %, по сравнению с контролем.Но и при снижении дозы минеральных удобрений на 30% прослеживался положительный экономический эффект (табл. 15). 118 Таблица 15 – Экономическая эффективность возделывания сои Бара на основе регуляции РМВ, (среднее за 2013-2015 гг) Варианты Урожайность, т/га Произв. Себестоимость затраты, 1т зерна, тыс. руб. тыс. руб. Бара (NPK100%) Чистый доход, тыс. руб. Рентабельность, % 1. Контроль 2,07 14,09 6,81 17,21 122,17 2. Штамм 634 б 3,14 14,55 4,64 32,80 225,36 3. Pseudomonas 2,86 14,40 5,03 28,76 199,81 4.Variovorax 2,87 14,39 5,02 28,91 200,81 3,45 14,77 4,28 37,23 252,11 3,17 14,72 4,64 33,08 224,81 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Бара (NPK70%) 1. Контроль 1,99 13,83 6,95 16,27 117,71 2. Штамм 634 б 2,57 14,20 5,53 24,60 173,25 3. Pseudomonas 2,37 14,06 5,93 21,75 154,74 4.Variovorax 2,24 14,03 6,27 19,82 141,28 2,52 14,35 5,70 23,70 165,20 2,70 14,38 5,33 26,37 183,36 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax У сорта Красивая меча максимальный экономический эффект обеспечило комплексное внесение клубеньковых бактерий 634б и ризобактерий рода Variovorax,который наряду с максимальной прибавкой урожайности обеспечил повышение чистого дохода в 1,3 раза, снизив при этом себестоимость 1 т зерна на 15,5%. Уровень рентабельности в данном варианте был выше контрольного показателя на 25,4%. Это, в свою очередь, также дает возможность рентабельного производства более дешевого качественного белка при экономии затрат, связанных с внесением минеральных удобрений, в размере до 4 тыс. руб./га (табл. 16). 119 Таблица 16 – Экономическая эффективность возделывания сои Красивая меча на основе регуляции РМВ,( среднее за 2013-2015 гг) Варианты Урожайность, т/га Произв. Себестоимость затраты, 1т зерна, тыс. руб. тыс. руб. Красивая меча (NPK100%) Чистый доход, тыс. руб. Рентабельность, % 1. Контроль 2,23 14,12 6,33 19,58 138,70 2. Штамм 634 б 2,37 14,41 6,08 21,39 148,44 3. Pseudomonas 2,19 14,27 6,52 18,83 131,98 4.Variovorax 2,35 14,30 6,08 21,20 148,29 2,51 14,59 5,81 23,31 159,70 2,43 14,58 6,00 22,12 151,74 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax Красивая меча (NPK70%) 1. Контроль 2,20 13,86 6,30 19,39 139,82 2. Штамм 634 б 2,30 14,15 6,15 20,61 145,59 3. Pseudomonas 2,50 14,08 5,63 23,67 168,15 4.Variovorax 2,49 14,08 5,65 23,52 167,12 2,36 14,32 6,07 21,33 148,99 2,62 14,37 5,48 25,18 175,30 5. Штамм 634б + Pseudomonas 6. Штамм 634б + Variovorax У сорта Красивая меча на фоне NPK100% исключение составил лишь вариант с внесением ассоциативных бактерий рода Pseudomonas, который показал себя высоко затратным и низко рентабельным агроприемом, по сравнению с контролем. 8.2 Энергетическая эффективность возделывания различных сортов сои на основе РМС На сегодняшний день экономическая оценка сельскохозяйственного производства является недостаточным критерием его эффективности, так как на первом месте в ряду пяти приоритетных направлений развития экономики России 120 стоят энергоэффективность и энергосбережение (Медведев, 2010). Решение поставленных задач требует изменения привычных подходов к использованию энергии во всех её секторах без исключения, в том числе, сельском хозяйстве, которое в РФ традиционно является одной из наиболее энергоёмких отраслей. Например, выращивание растениеводческой продукции сопряжено с использованием большого набора технологических и энергетических средств при малом коэффициенте их полезного действия (Ступин, 2006; Ларин, 2010). Становится очевидным, технологий и что устаревшей применение техники не высокозатратных могут энергоёмких обеспечить получение конкурентоспособной продукции. Только переход на инновационные ресурсоэнергосберегающие технологии, удачно использующие физические, химические и биологические факторы, является основой выживания и развития отрасли растениеводства. В основе энергосберегающей технологии выращивания любой полевой культуры, в том числе и сои, лежит максимальное сокращение затрат и использование возобновляемых природных ресурсов (Парахин, 2006; Жученко, 2008; Хлопюк, 2008). С этой точки зрения особенный интерес представляет большее вовлечение в продукционный процесс такого биологического фактора, как полезные ризосферные микроорганизмы (PGPR). Создание эффективных растительно-микробных систем способствует обеспечению растений труднодоступными элементами питания (N, P) с помощью повышения жизнеспособности и биогенности почвы. Симбиотические отношения растений с клубеньковыми и ризосферными бактериями позволяют им формировать урожай за счет биологического азота и тем самым делают их максимально самодостаточными, а сельскохозяйственное производство экологически сбалансированным и экономически выгодным (Посыпанов, 1993; Vance, 1998; Дятлова, 2001; Борисов, 2005; Парахин, 2006). Учитывая это, нами была проведена биоэнергетическая оценка создания растительно-микробных систем на основе взаимодействия различных групп микроорганизмов с современными сортами сои, которая показывает отношение 121 количества энергии, аккумулированной урожаем, и совокупных затрат энергии, вкладываемых в их производство. Расчёт биоэнергетической эффективности выполнен на основе типовых технологических карт, где затраты совокупной энергии (ГДж/га) вычисляли умножением затрат различных категорий на их энергетический эквивалент. Биоэнергетическая оценка наиболее эффективных с хозяйственной точки зрения приемов повышения продуктивности агрофитоценозов сои показала, что производство зерна посредством активизации растительно-микробных отношений обеспечивает главное условие ресурсосберегающих технологий – экономию затрат энергии на единицу продукции. Заключение по главе: Комплексное использование ассоциативных микроорганизмов с АЦКдезаминазной активностью в агроценозах сои способствовало максимальному повышению их экологической устойчивости, позволяя получать более дешевый качественный белок при высокой рентабельности производства и снижении ресурсозатрат. При этом определяющим фактором эффективности ресурсосберегающей технологии является сорт. Для сорта Свапа на фоне NPK70% наиболее эффективным с экономической точки зрения был вариант с интродукцией в ризосферу штамма ризобий 634б и ассоциативных ризобактерийрода Pseudomonas, которые позволили увеличить чистый доход в 1,9 раза и повысить уровень рентабельности на 76,9%, снизив при этом себестоимость 1 т продукции в 1,4 раза. Для сорта Бара наиболее рентабельным агроприемомтакже оказался вариант, что и у сорта Свапа, но только на полном минеральном фоне, обеспечивший повышение чистого дохода с 1 га в 2,2 раза, а также уровня рентабельности производства на 106,3%. Максимальный экономический эффект в посевах сорта Красивая меча показал вариант с комплексным внесением штамма клубеньковых диазотрофов 634б и ассоциативных бактерий с АЦК-дезаменазной активностью рода Variovoraх, который наряду с максимальной прибавкой урожайности обеспечил 122 повышение чистого дохода в 1,3 раза и уровня рентабельности на 25,4%, снизив при этом себестоимость 1 т зерна в 1,2 раза. 123 ВЫВОДЫ 1. Современные сорта сои при взаимодействии с местными популяциями клубеньковых бактерий формировали как функционально, так и морфологически различающиеся симбиотические системы. Наибольшим количеством клубеньков в независимости от уровня минерального питания отличался сорт Свапа, в среднем превосходящий по их активности сорта Красивая меча и Бара в 6,9 и 3,3 раза, соответственно. По величине и качеству урожая сорта были сопоставимы. 2 Перспективные штаммы АЦК-утилизирующих ризобактерий оказывали стимулирующее действие на формирование бобово-ризобиального симбиоза в агроценозах сои. Максимальную активизацию симбиотической деятельности культуры обеспечила их интродукция в комплексе с клубеньковыми бактериями, благодаря чему количество усвоенного агроценозами азота воздуха возросло в 4 - 23 раза в зависимости от сорта, достигая 27 - 62 кг/га. 3. Создание поликомпонентных симбиотических систем на основе АЦКутилизирующих ризобактерий и ризобий способствовало максимальному повышению экологической устойчивости агроценозов сои за счет реализации их средообразующего потенциала при повышении уровня использования солнечной энергии на 18,5 - 65,7%. Эффективность микроорганизмовинтродуцентов зависела от сорта и уровня минерального питания растений: - сорта Свапа и Красивая меча формировали наиболее продуктивные агроценозы при снижении дозы NPK на 30%, в результате чего сбор зерна с гектара превысил контрольный показатель в 1,8 и 1,2 раза, соответственно. При этом сорт Свапа был наиболее отзывчив на интродукцию АЦКутилизирующих ризобактерий рода Pseudomonas, тогда как для сорта Красивая меча наиболее эффективными были ризобактерии рода Variovorax; - агроценозы сорта Бара отличались максимальной продуктивностью на полном минеральном фоне при интродукции ризобактерий рода Pseudomonas, что обеспечило прибавку урожайности на уровне 66,7%. 124 4. Благодаря положительному эффекту АЦК-утилизирующих ризобактерий на рост и азотфиксирующий симбиоз сои сбор белка с единицы площади достигал 1,00 - 1,29 т/га, при этом доля азота воздуха в формировании урожая возросла в 2,3 - 5,5 раза в зависимости от сорта. Повышение белковой продуктивности симбиотических систем сои на 43% зависело от генотипа микроорганизмов. 5. Наиболее эффективными с экономической точки зрения были следующие варианты: -для сорта Свапа – комплексная интродукция ризобактерий рода Pseudomonas и клубеньковых бактерий на неполном минеральном фоне, позволившая увеличить чистый доход в 1,9 раза, уровень рентабельности производства - на 76,9%, снизив себестоимость 1 т зерна в 1,5 раза; -для сорта Бара – интродукция ризобактерий рода Pseudomonas в комплексе с клубеньковыми бактериями на полном минеральном фоне, обеспечившая повышение чистого дохода на 45,7%, уровня рентабельности производства - в 2 раза, при снижении себестоимости 1 т продукции в 1,2 раза; -для сорта Красивая меча – комплексная интродукция ризобактерий рода Variovoraх и клубеньковых бактерий на неполном минеральном фоне, способствующая повышению чистого дохода в 1,3 раза, уровня рентабельности - на 25,4%, снизив себестоимость 1 т зерна в 1,4 раза. 6. Расчет экономической эффективности производства зерна сои показал, что за счет использования поликомпонентных свойств АЦК-утилизирующих ризобактерий можно снизить затраты, связанные с внесением минеральных удобрений до 4 тыс. руб./га без снижения урожайности и получить дешевый качественный растительный белок. 125 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 1. На основании полученных результатов исследований рекомендуется осуществить государственную регистрацию микробиологических препаратов нового поколения на основе перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий, внедрение которых позволит увеличить производство экологически безопасного соевого белка за счет стимуляции роста и активизации азотфиксирующего симбиоза растений. 2. С учетом государственной регистрации биопрепаратов с целью получения 3,45 т/га зерна сои Бара рекомендуется комплексная интродукция штамма клубеньковых бактерий Rhizobium 634б (из расчета 200 г на гектарную норму семян) и штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий Pseudomonas Eр4 (внесение в рядки 10% р-ра) при внесении NPK на планируемый урожай (3 т/га). 2. С учетом государственной регистрации биопрепаратов при возделывании сои Свапа рекомендуется комплексное использование штамма клубеньковых бактерий Rhizobium 634б (из расчета 200 г на гектарную норму семян) и штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий Pseudomonas Eр4 (внесение в рядки 10% р-ра), что позволит получать 3,17 т/га зерна при снижении дозы NPK на 30%. 3. С учетом государственной регистрации биопрепаратов при возделывании сои Красивая меча рекомендуется комплексное использование штамма клубеньковых бактерий Rhizobium 634б (из расчета 200 г на гектарную норму семян) и штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий рода Variovorax (внесение в рядки 10% р-ра), что позволит получать 2,62 т/га зерна при снижении дозы NPK на 30%. 4. Для хозяйств с интенсивным уровнем земледелия, ориентированных на широкое использование минеральных удобрений, рекомендуется выращивание сои Бара, обладающего высокой отзывчивостью на минеральные удобрения. 126 5. Для хозяйств, ориентированных на биологическое земледелие и производство экологически безопасной продукции, рекомендуется возделывание сортов сои Свапа и Красивая меча, характеризующихся высокой отзывчивостью на приемы биологизации. 127 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Белимов, А.А. Взаимодействие ассоциативных бактерий и растений в зависимости от биотических и абиотических факторов: Автореферат дисс….докт. биол. наук / А.А. Белимов. – Санкт-Петербург, 2008. – 46 с. 2. Кравченко, Л.В. Роль корневых экзометаболитов в интеграции микроорганизмов с растениями: Автореф. дисс…докт. биол. н., М., 2000. 3. Ничипорович, А.А. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах / А.А. Ничипорович, Л.Е. Строганова, С.Н. Чмора, М.П. Власова.- М.: АНСССР, 1961. - 133с. 4. Петрова, С.Н. Ресурсосберегающая роль растительно-микробных взаимодействий в растениеводстве: Автореферат дисс….докт. с.-х. наук. Орел, 2011; 41 с. 5. Тихонович, И.А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего / И.А. Тихонович, Н.А. Проворов. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2009. - 210 с. 6. Шапошников, А.И. Взаимодействие ризосферных бактерий с растениями: механизмы образования и факторы эффективности ассоциативных симбиозов (обзор) / А.И. Шапошников, А.А.Белимов, Л.В. Кравченко, Д.М. Виванко.// Сельскохозяйственная биология. – 2011. - №3. – С. 16-22. 7. Belimov, A.A. Cadmium-tolerant plant growth-promoting bacteria associated with the roots of Indian mustard (Brassica junceaL. Czern.) / A.A.Belimov,N.Hontzeas, V.I. Safronova e.al. // Soil Biol. Biochem. – 2005. - №37. – P. 241-250. 8. Bilger, W. Determination of the quantum efficiency of photosystem II and of nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence in the field / WBilger, U Schreiber,M. Bock. – Oecologia, 1995. 9. Boller, B.C. Canopy Structure and Photosynthesis of Alfalfa Genotypes Differing in Nodule Effectiveness / B.C. Boller, G.H. Heichel // Crop. Sci., 1984. – V. 24. - P. 9196. 128 10. Czarny, J.C.Genetic modulation of ethylene biosynthesis and signaling in plants / J.C.Czarny,V.P. Grichko, B.R. Glick // Biotech. Adv. – 2006. -№24. – P.410-419. 11. Glick, B.R. Phytoremediation: synergistic use of plants and bacteria to clean up the environment. Biotech. Adv., 2003, 21: 383-393. 12. Glick, B.R. Phytoremediation: synergistic use of plants and bacteria to clean up the environment / B.R. Glick // Biotech. Adv. – 2003. -№21. – P. 383-393. 13. Grichko, V.P.Amelioration of flooding stress by ACC deaminase-containing plant growthpromoting bacteria/ V.P.Grichko, B.R.Glick // Plant Physiol. Biochem.– 2001. -№39. – P. 11-17. 14. Guinel,F.C.A model for the development of the rhizobial and arbuscularmycorrhizal symbioses in legumes and its use to understand the roles of ethylene in the establishment of these two symbioses / F.C. Guinel,R.D.Geil //Canadian J. Bot. – 2002. -№80. –P. 695-720. 15. Lynch, J.M. The rhizosphere / J.M. Lynch/ -Chichester, England, J. Willey Ltd., 1990. 16. Mayak, S. Plant growth-promoting bacteria that confer resistance in tomato to salt stress //S.Mayak,T. Tirosh, B.R.Glick // Plant Physiol. Biochem. – 2004. -№42. – P. 565-572. 17. Quilici, A. Photosynthesis-Nitrogen Relationships in Pioneer Plants of Disturbed Tropical Montane Forest Sites / A. Quilici, E. Medina // Photosynthetica. – 1998. – V. 35. – P. 525-534. 18. Safronova, V.I. Root-associated bacteria containing 1-aminocyclopropane-1- carboxylate deaminase improve growth and nutrient uptake by pea genotypes cultivated in cadmium supplemented soil // V.I.Safronova, V.V.Stepanok, G.L. Engqvist e.al. // Biol. Fertil. Soils. – 2006. -№42. – P. 267-272. 19. Whipps, J.M. Microbial interactions and biocontrol in the rhizosphere / J.M.Whipps// J. Exp. Bot. – 2001. -№52. – P. 487-511. 20.
