Развитие современного сельского хозяйства на протяжении последних лет характеризуется многочисленными направлениями экологизации и сопровождается активным использованием биотехнологических приемов. Одним из таких методов служит подбор и применение ризобактерий, вступающих в ассоциации с культурными растениями, стимулирующих их рост, развитие, минеральное питание и продуктивность. При помощи биологически активных веществ такие бактерии повышают толерантность растений к различным физиологическим стрессам и неблагоприятным условиям окружающей среды [1–3]. При этом наибольший интерес представляет протекторная роль ассоциативных штаммов в отношении почвенной засухи, наступившей в критический период онтогенеза растений, когда сельскохозяйственные культуры наиболее уязвимы к недостатку воды. Обычно этот период приходится на фазу бутонизации и начальный этап цветения [4], когда в растительном организме наиболее активно формируются элементы будущей продуктивности. Поэтому проблема стабилизации физиологических процессов на данном этапе онтогенетического развития имеет не только теоретическое, но и важное практическое значение, так как способствует нивелированию негативных последствий недостатка почвенной влажности [5]. Несмотря на свою актуальность, данное решение проблемы посредством ризосферных бактерий до сих пор изучено недостаточно полно [6; 7]. Во многом этот факт связан с тем, что отзывчивость того или иного ризобактериального штамма зависит не только от вида, но даже от сорта растения, которое подвергается бактериальной обработке (инокуляции) [8]. Однако создание эффективной ассоциации «бактерия – растения» способствует более полной реализации продуктивного потенциала растений, особенно таких малораспространенных в Нечерноземной зоне культур, как горчица белая [9–11].
Цель нашей работы состояла в определении наиболее эффективных ризобактериальных штаммов в основе отобранных бактериальных препаратов для сохранения продуктивности горчицы белой, выращенной при нормальном увлажнении и почвенной засухе в критический период.
Материалы и методы исследования
Работа проводилась в условиях вегетационных опытов с горчицей белой (Sinapis alba L.), образец сорта Рапсодия (к-4278), на территории биостанции РГПУ им. А.И. Герцена. Сортовые семена представлены ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова.
Растения выращивались в вегетационном домике по стандартной методике [12] на слабокислой дерново-подзолистой супесчаной почве со средним содержанием гумуса (1,5 %) и основных элементов минерального питания (фосфора и калия). Для гарантированного создания ассоциативного комплекса «растение – бактерия» перед посевом в почву каждого сосуда в качестве общего минерального фона вносилось комплексное удобрение азофоска из расчета N0,1P0,1K0,1 д.в. на каждый кг почвы. Продолжительность опыта с момента посева (вторая декада мая) до фазы созревания стручков (первая декада августа) составила 86 дней.
Процедура инокуляции семенного материала происходила непосредственно в процессе его посева в полном соответствии с устоявшимися рекомендациями [13] лаборатории экологии ассоциативных и симбиотических ризобактерий ВНИИСХМ, предоставившей примененные нами бактериальные препараты: Агрофил (Agrobacterium radiobacter, штамм 10), Мизорин (Arthrobacter mysorens, штамм 7), Флавобактерин (Flavobacterium sp., штамм 30) и Экстрасол (Pseudomonas fluorescens, штамм ПГ-5). Выбор данных штаммов ризобактерий осуществлялся на основе предварительного лабораторного скрининга на проростках горчицы соответствующего сорта.
С момента посева до фазы бутонизации (критический период) все растения выращивались при нормальном увлажнении, которому соответствует 70 % почвенной влажности. При этом для части растений по достижении критического периода была создана десятидневная засуха почвы на уровне 30 %, после чего нормальный уровень влажности почвы был восстановлен и поддерживался до конца вегетации ежедневным поливом.
Изучение морфометрических и физиологических параметров осуществлялось согласно фенологическим фазам развития растений горчицы, после перенесения частью растений кратковременного периода почвенной засухи. Критерии водного баланса (общая оводненность надземных органов, водоудерживающая способность), сухая масса корневой системы и надземных органов, индекс чувствительности к засухе изучались в период цветения [14]. Качество урожая сухой надземной массы определяли биохимическим анализом основных питательных элементов (азота, фосфора и калия) методом мокрого озоления растительного материала. Продуктивность семян оценивалась в период зрелости стручков. При этом отбор данных показателей, являющихся наиболее чувствительными характеристиками засухоустойчивости, осуществлялся на основе специально разработанных рекомендаций [15].
Кроме того, практический интерес для нас также представляла оценка экономического эффекта по изменению дохода у аграрного предприятия (фермерского хозяйства) от процесса предпосевной инокуляции семян семейства капустных препаратами на основе ризобактерий по сравнению с контрольными данными [8]. Понятия «экономический эффект» и «экономическая эффективность» относятся к ключевым экономическим категориям и связаны между собой. Экономический эффект характеризует полезный результат от реализации мероприятия или мероприятий, оцениваемый либо в форме дополнительного дохода, либо в стоимостной оценке экономии ресурса (ресурсов). Экономическая эффективность – это соотношение между полезным результатом (экономическим эффектом) и затратами на ресурсы для его достижения.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ данных вегетационного опыта выявил нарушение ростовых процессов при почвенной засухе. При этом отмечалось, что торможение ростовых процессов снижается при инокуляции семян биопрепаратами. Высота растений (фаза активного цветения), семена которых были обработаны ризобактериальными штаммами, после воздействия почвенной засухи была на 23–27 % больше, чем у необработанных вариантов. Наибольший эффект по этому показателю наблюдался в вариантах с применением препарата Агрофил.
Оптимизация минерального питания растений является путем, повышающим их засухоустойчивость. При этом, согласно некоторым данным [1; 3; 4], взаимодействие растений с ассоциативными ризобактериями способствует улучшению поступления в растительный организм основных питательных элементов, а засуха способствует его нарушению. В наших опытах, несмотря на некоторое снижение в надземных органах горчицы белой после засухи концентрации азота, фосфора и калия, было отмечено, что у инокулированных вариантов этот процесс происходит менее активно (табл. 1).
Таблица 1
Влияние бактериальных препаратов на накопление основных минеральных элементов в надземных органах растений, %
|
Вариант |
НУ* |
ПЗ** |
ПЗ/НУ*** |
||||||
|
N |
P2O5 |
K2O |
N |
P2O5 |
K2O |
N |
P2O5 |
K2O |
|
|
Контроль |
1,70 |
1,0 |
1,60 |
1,29 |
0,81 |
1,20 |
0,76 |
0,81 |
0,75 |
|
Агрофил |
1,87 |
1,42 |
2,30 |
1,59 |
1,22 |
2,05 |
0,85 |
0,86 |
0,89 |
|
Мизорин |
2,02 |
1,42 |
2,31 |
1,86 |
1,21 |
1,99 |
0,92 |
0,85 |
0,86 |
|
Флавобактерин |
2,10 |
1,30 |
2,63 |
1,70 |
1,04 |
2,21 |
0,81 |
0,80 |
0,84 |
|
Экстрасол |
1,92 |
1,26 |
2,30 |
1,56 |
1,24 |
1,90 |
0,81 |
0,98 |
0,83 |
|
НСР0,05 |
0,05 |
0,04 |
0,04 |
0,05 |
0,04 |
0,04 |
- |
- |
- |
Примечание: НУ* – нормальное водоснабжение; ПЗ** – почвенная засуха; ПЗ/НУ* – коэффициент стабильности развития растений.
Обработка семян ассоциативными ризобактериями повышало содержание общего азота в сухом веществе горчицы белой с 1,70 % в контроле до 2,16 % в условиях нормального увлажнения и с 1,29 % до 2,09 % при засухе. Кроме того, в вариантах с использованием штаммов ризосферных бактерий отмечалось усиление поступления фосфора и калия в растения. При этом, несмотря на то что недостаток почвенной влаги оказал негативное действие на минеральное питание растений, в вариантах с инокуляцией семян отмечалось более высокое их содержание по сравнению с контрольными данными (без инокуляции).
Минеральное питание тесно связано со степенью развития подземных органов, а они в свою очередь с засухоустойчивостью. Растения с хорошо развитыми корнями, которые более глубоко проникают в почву, лучше противостоят засухе. Ранее отмечалось [4; 8], что штаммы ассоциативных ризосферных бактерий способны усиливать рост корневой системы, главным образом за счет увеличения боковых корней, и повышать ее поглотительную способность за счет образования большого количества корневых волосков.
Согласно нашим исследованием показано, что к концу вегетационного периода инокулированные растения лучше формировали корневую массу, чем контрольные (табл. 2), особенно в варианте с Флавобактерином (158 %). Кроме того, отмечалось, что на фоне нормального увлажнения биопрепараты стимулировали накопление сухого вещества в надземной массе в среднем от 7 до 15 %. Опытные варианты, подвергнутые засухе в критический период без использования ассоциативных бактерий, снижали сухую массу в полтора раза, а при предпосевной обработке семенного материала это снижение было менее выражено.
Таблица 2
Сухая масса корней и растений в фазу полной спелости в разных условиях увлажнения
|
Вариант |
Масса корней, г/сосуд |
Надземная масса растений, г/сосуд |
ИЧЗ* |
||||
|
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
||
|
Контроль |
5,8 |
2,6 |
0,45 |
14,4 |
10,2 |
0,71 |
1,12 |
|
Агрофил |
6,5 |
3,1 |
0,48 |
15,4 |
12,1 |
0,79 |
0,81 |
|
Мизорин |
7,0 |
3,7 |
0,53 |
16,0 |
11.9 |
0,74 |
1,0 |
|
Флавобактерин |
7,4 |
4,1 |
0,55 |
16,6 |
11,9 |
0,72 |
1,08 |
|
Экстрасол |
6,9 |
3,2 |
0,46 |
15,6 |
11,7 |
0,75 |
0,96 |
|
НСР0,05 |
0,4 |
0,4 |
- |
1,0 |
1,1 |
- |
- |
Примечание: ИЧЗ* – индекс чувствительности к засухе.
Индекс чувствительности к засухе определяется как соотношение сухой массы растений, подвергнутых засухе, к средней сухой массе растений и считается важным показателем засухоустойчивости. Чем ниже этот индекс, тем выше толерантность к засухе.
В наших опытах этот показатель в среднем составлял 0,99. Все опытные варианты характеризовались низким индексом засухоустойчивости по отношению к контролю. Наиболее низким индексом отличались растения, инокулированные Агрофилом (0,81) и Экстрасолом (0,96).
В наших исследованиях растения горчицы белой, семена которых прошли семенную инокуляцию, формировали большее число цветков, стручков и семян, в отличие от необработанного ризобактериями контроля (табл. 3). Причем в условиях нормального увлажнения количество цветков увеличивалась почти в 2,0 раза в вариантах с Флавобактерином и Мизорином. При внесении PGPR в условиях засухи максимальные показатели наблюдались при обработке семян Агрофилом (на 85 %). Бактериальные препараты (особенно Мизорин и Флавобактерин) положительно повлияли на процесс стручкования. Недостаток влаги в почве резко ингибировал образование стручков почти в два раза. Однако применение ростостимулирующих штаммов ризобактерий нивелировало негативное действие засухи. Наиболее существенные прибавки отмечались при внесении на семена агробактерий препарата Агрофила.
Таблица 3
Влияние ризобактерий на формирование цветков и стручков при различном увлажнении
|
Вариант |
Количество цветков, шт./растение |
Количество стручков, шт./растение |
||||
|
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
|
|
Контроль |
24,9 |
14,4 |
0,58 |
13,3 |
6,7 |
0,50 |
|
Агрофил |
33,1 |
26,7 |
0,81 |
15,1 |
13,2 |
0,87 |
|
Мизорин |
41,9 |
24,6 |
0,59 |
22,2 |
11,6 |
0,52 |
|
Флавобактерин |
40,1 |
25,2 |
0,64 |
20,8 |
10,7 |
0,51 |
|
Экстрасол |
29,2 |
22,5 |
0,77 |
18,8 |
10,0 |
0,53 |
|
НСР0,05 |
5,5 |
3,0 |
- |
2,0 |
0,9 |
- |
Аналогичные результаты были получены при оценке действия биопрепаратов на количество и массу семян горчицы на фоне нормального увлажнения и засухи почвы, наступившей в критический период онтогенеза исследованных культурных растений (табл. 4).
Таблица 4
Продуктивность семян при инокуляции ризобактериями в разных условиях влагообеспечения
|
Вариант |
Количество семян, шт./сосуд |
Масса семян, г/сосудов |
||||
|
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
НУ |
ПЗ |
ПЗ/НУ |
|
|
Контроль |
492 |
282 |
0,57 |
3,0 |
0,8 |
0,27 |
|
Агрофил |
604 |
548 |
0,91 |
4,8 |
1,7 |
0,35 |
|
Мизорин |
888 |
524 |
0,59 |
5,4 |
1,5 |
0,28 |
|
Флавобактерин |
832 |
488 |
0,59 |
5,0 |
1,5 |
0,30 |
|
Экстрасол |
755 |
500 |
0,66 |
4,2 |
1,2 |
0,29 |
|
НСР0,05 |
36,4 |
22,4 |
- |
0,4 |
0,3 |
- |
Изменение доходов аграрного предприятия от реализации семян горчицы белой в условиях нормального увлажнения (НУ) и почвенной засухи (ПЗ)
В опытных вариантах процесс образования семян у растений особенно интенсивно отмечался в семенной обработке Мизорином (на 80 %) и Флавобактерином (на 69 %) при нормальном увлажнении почвы. Обработанные PGPR растения, которые были подвергнуты периоду водного стресса, снижали число семян в среднем на 13–43 % по отношению к варианту без инокуляции и с засухой. Наиболее выраженный протекторный эффект к засухе по сравнению с остальными биопрепаратами наблюдался от использования Агрофила почти в два раза к контролю. Вес семян у растений от действия недостатка влаги в почве снижался в среднем до 73 %. Использование бактериальных препаратов позволяло снизить негативное влияние водного дефицита влаги и повысить урожай семенной массы на 50–113 %.
Рассмотренные выше факторы влияют и на экономический эффект аграрного предприятия (рисунок).
Показана зависимость доходов аграрного предприятия от увлажненности почвы и инокуляции семян бактериальными препаратами при выращивании горчицы белой на семенную продуктивность. Нормальные условия увлажнения почвы способствовали увеличению дохода в интервале 1,96–3,24. Более сильное влияние от инокуляции семян происходит у растений после почвенной засухи – увеличение дохода в 2,63–4,06 раза.
Выводы
Таким образом, проведенные вегетационные опыты выявили, что отобранные нами бактериальные препараты способствовали стабилизации морфофизиологических процессов растений Sinapis alba L. как при нормальном режиме увлажнения почвы, так и после засухи, даже если она совпадает с критическим периодом онтогенеза данной культуры. Штаммы ассоциативных ризосферных бактерий способствуют повышению стимуляции ростовых процессов, сохранению сухой массы корней и надземных органов растений, улучшению минерального питания благодаря поступлению основных элементов (азота, фосфора и калия), увеличению количества семян и их массы. Урожайность инокулированных растений при нормальном увлажнении была на 40–87 %, а в условиях почвенной засухи на 50–113 % больше, чем контрольных вариантов.
При этом при нормальной обеспеченности почвы влагой лучше себя проявил препарат Мизорин (Arthrobacter mysorens, штамм 7), а в стрессовых условиях с кратковременной почвенной засухой наиболее яркое действие отмечено в опытном варианте с Агрофилом (Agrobacterium radiobacter, штамм 10).