В середине двадцатого века сельское хозяйство начало радикально меняться и перешло от крестьянского земледелия к более интенсивным методам ведения хозяйства, которые направлены на максимальное увеличение урожайности с определенного участка земли. Такой высокий уровень урожайности достигается за счет использования удобрений и пестицидов, уменьшающих гниение почвы. Однако непрерывное возделывание одного и того же участка земли из года в год приводит к снижению плодородия почвы, так что даже при применении химических неорганических удобрений мало что можно получить взамен [1]. Использование химических удобрений ослабляет корни растений, делая их восприимчивыми к нежелательным заболеваниям, вызывает загрязнение воздуха и грунтовых вод [2]. В связи с этим для обеспечения биобезопасности в последнее время были предприняты попытки получения биоудобрений, которые признаны альтернативой химическим удобрениям для повышения плодородия почвы и повышения урожайности в условиях устойчивого земледелия. Биоудобрения – это продукты, содержащие живые клетки различных микроорганизмов, которые обладают способностью преобразовывать важные для питания элементы из недоступной для растений формы в доступную посредством биологических процессов. Обычно от 60 % до 90 % общего количества внесенных удобрений теряется, и только оставшиеся 10-40 % усваиваются растениями. Эти потенциальные биологические удобрения должны сыграть ключевую роль в продуктивности и устойчивости почвы, а также в защите окружающей среды. Органическое земледелие – одна из таких стратегий, которая не только обеспечивает безопасность пищевых продуктов, но и увеличивает биоразнообразие почвы. Биоудобрения, применяемые в качестве инокулянтов для семян или почвы, участвуют в круговороте питательных веществ и приводят к урожайности сельскохозяйственных культур [3].
Применение полезных микроорганизмов в сельскохозяйственной практике доказало, что полезные микробы также могут повышать устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям окружающей среды (дефицит воды и питательных веществ, загрязнение тяжелыми металлами и др.). Следовательно, биоудобрения могут быть важным компонентом интегрированных питательных веществ, системы управления для поддержания продуктивности сельского хозяйства и здоровой окружающей среды [4].
Таким образом, сегодня традиционные методы ведения сельского хозяйства превращаются в агроэкологические методы, которые лучше учитывают биологические механизмы и сохраняют экосистемы. Агроэкология пропагандирует методы ведения сельского хозяйства с помощью различных почвенных микроорганизмов, одними из которых являются арбускулярные микоризные грибы (AMГ). AMГ являются наиболее распространенными грибами-симбиотами корней растений и важным экологическим партнером в агроэкосистемах. Они считаются ключевыми организмами в экосистемах, так как способствуют усвоению и переносу минеральных питательных веществ, таких как фосфор, азот, сера, калий, кальций, медь и цинк, из почвы в растения [5]. Однако, несмотря на то что микоризные грибы образуют симбиоз с большинством видов растений, хорошо известно, что ответы на инокуляцию AMГ сильно различаются у разных видов растений и даже сорта в пределах одного вида [6]. Поэтому необходимо тщательное изучение механизмов взаимодействия грибов и растений для получения максимального взаимовыгодного сотрудничества микро- и макроорганизмов.
Цель данной работы заключалась в определении влияния препарата на основе микоризных грибов «Кормилица Микориза» на рост и микоризацию различных культурных растений и определение их отзывчивости.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования служили: пшеница (Triticum aestivum L., сорт Омская 35), горох посевной (Pisum sativum L., сорт Чишминский 95), лук репчатый (Allium сера L., сорт Штутгартер Ризен). В работе использовали биопрепарат «Кормилица Микориза» (ООО НВП «БашИнком», состоящий из мицелия и спор гриба рода Glomus, колонизированных фрагментов корней, торфа).
Для выращивания растений использовали чернозем, который предварительно подготавливали (убирали посторонние корни, дробили крупные комки почвы). Далее почву помещали в пластиковые сосуды. Для этого вначале насыпали часть почвы и раскладывали семена, затем засыпали остатком почвы слоем 1-1,5 см. Затем почву поливали из расчета достижения 70 % от полной полевой влагоемкости (ППВ).
В контрольных вариантах семена вносили в почву без удобрения. В вариантах опыта перед посевом биоудобрение раскладывали на поверхность почвы (6 г на 1 кв. м) и перемешивали. Нестерилизованные семена высевали в вегетационные сосуды в трехкратной повторности. Растения выращивали в течение 30 дней, затем растения осторожно удаляли из почвы вместе с корневой системой. Корни растений удаляли, промывали их, с помощью фильтровальной бумагой удаляли избыток влаги, затем взвешивали. Корни анализировали гистохимическим анализом и проводили учет показателей микоризации по методу Травло [7]. Корни очищали в 10 %-ном КОН, промывали затем НСl (2 %-ным раствором) и окрашивали с применением красителя трипанового синего. Окрашенные корни анализировали при помощи световой микроскопии и рассчитывали показатели микоризной инфекции. Опыт был проведен в трехкратной повторности. У растений в каждом повторении определяли показатели микоризации и среди значений трех повторов выводили среднее. С помощью стандартных программ пакета Microsoft Excel проводили статистическую обработку результатов. В тексте работы в таблицах представлены данные среднего арифметического значения и стандартное отклонение. Для расчета применяли t-критерий Стьюдента с целью выявления различий между растениями, выращенными с применением и без применения препарата. Между вариантами контроля и опыта различия как достоверные оценивали при р < 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Нами было установлено в результате проведенных исследований, что внесение препарата «Кормилица Микориза» в почву способствовало увеличению роста всех исследованных растений (табл. 1).
Таблица 1
Влияние биопрепарата на длину корней и побегов растений
|
Культура |
Контроль |
Биопрепарат |
||
|
побег, см |
корень, см |
побег, см |
корень, см |
|
|
Triticum aestivum L. |
28.7 ± 2.8 |
12.3 ± 1.3 |
35.7 ± 3.4 |
14.3 ± 1.9 |
|
Pisum sativum L. |
31.7 ± 3.2 |
10.2 ± 1.1 |
37.2 ± 3.1 |
14.4 ± 1.14 |
|
Allium cepa L. |
31.8 ± 3.1 |
10.3 ± 1.9 |
39.2 ± 3.5 |
12.6 ± 1.8 |
Стимулирующий эффект биопрепарата по-разному проявлялся у исследованных растений. У Triticum aestivum L. положительный эффект биопрепарата был сильнее выражен на побегах, чем корнях. Так, при выращивании пшеницы в почве с добавлением биопрепарата длина побегов и корней растений была больше на 24.4 % и 16.2 % соответственно, чем у контрольных растений. У Pisum sativum L. под действием биопрепарата лучше стимулировался рост корней, чем побегов (на 41.2 % и 17.4 % соответственно, по сравнению с растениями, выросшими без внесения биопрепарата). У Allium cepa L. стимуляция роста корня и побега была практически одинакова (побеги увеличились на 23.3 %, корни на 22.3 %, по сравнению с контролем).
Биомасса культурных растений после внесения биопрепарата «Кормилица Микориза» также увеличилась (табл. 2). Биомасса растений пшеницы, гороха и лука, выросших в почве с добавлением биопрепарата, была на 8, 4.2 и 2.6 % выше, соответственно, по сравнению с контрольными растениями.
Таблица 2
Влияние биопрепарата на биомассу побегов растений (1 растение, г)
|
Вариант |
Пшеница |
Горох |
Лук |
|
Контроль |
0.25 ± 0.01 |
1.68 ± 0.09 |
1.5 ± 0.08 |
|
Биопрепарат |
0.27 ± 0.01 |
1.75 ± 0.08 |
1.54 ± 0.07 |
Полученные нами данные хорошо согласуются с литературными, так как известно, что применение арбускулярной микоризы в качестве биоудобрения может увеличивать рост и продуктивность растений за счет усиления поглощения относительно неподвижных элементов в почве, таких как фосфор, медь и цинк, а также благодаря значительному расширению области поглощения воды [8; 9]. Микориза считается симбиозом между мицелием грибов и корнями растений. Это взаимодействие за годы эволюции стало сильным, и растения и грибы – жизненно необходимы друг другу, так как корневая система растений поставляет грибам аминокислоты, гормоны, углеводы, а взамен от грибов получает воду, макро- и микроэлементы, в том числе и фосфор. Корневая система растения значительно меньше, в отличие от образуемых микоризными грибами гиф, которые вступают в контакт с ними, и благодаря чему растение получает много питательных веществ и воды. AMГ, за счет увеличения поглощения фосфора и других питательных веществ, способствуют усилению фотосинтеза, смягчают стресс окружающей среды, улучшают фиксацию азота, увеличивают рост и урожайность растений. Значение микоризы особенно велико на бедных почвах [9; 10].
Эффективность же ассоциации симбиоза в агроценозе зависит от разнообразия и типа растений, штаммов микроорганизмов и грибов, типа почвы, агро- и метеорологических условий, удобрений и средств защиты растений. Продуктивный потенциал растительно-микробных систем определяется генетически и зависит от комплементарности генотипов фито- и микросимбионтов [9-11].
Арбускулярная микориза имеется у большинства растений, в том числе и культурных, и каждый вид растений имеет различную степень микоризации. Считается, что специфику, диапазон хозяев и степень колонизации трудно анализировать из-за сложности взаимодействия между арбускулярными грибами и корневой системой различных растений [10-12].
Нами было исследовано влияние препарата «Кормилица Микориза» на формирование арбускулярной микоризы у различных растений. Как показали результаты, внесение биопрепарата на основе микоризных грибов способствовало повышению показателей микоризации. Так, частота микоризы в корневой системе пшеницы, гороха и лука увеличилась на 21, 14 и 2.4 % соответственно, по сравнению с контролем. Интенсивность микоризной инфекции в корневой системе пшеницы, гороха и лука увеличилась в 2.3, 2.8 и 2.7 раза соответственно (по сравнению с контрольными растениями, выросшими без внесения препарата). Обилие арбускул в корневой системе пшеницы, гороха и лука увеличилось в 1.6, 1.3 и 2.7 раза соответственно, по сравнению с контрольными растениями (табл. 3).
Таблица 3
Влияние удобрения на показатели микоризной инфекции сельскохозяйственных культур
|
Вариант |
Пшеница |
Горох |
Лук |
|
Частота микоризной инфекции в корневой системе, F % |
|||
|
Контроль |
79.0 ± 1.9 |
85.3 ± 5.1 |
90.0 ± 5.6 |
|
Биопрепарат |
96.0 ± 4.3 |
97.3 ± 8.7 |
92.2 ± 4.1 |
|
Интенсивность колонизации микоризной инфекции в корневой системе микоризой, M % |
|||
|
Контроль |
3.2 ± 4.8 |
3.0 ± 1.6 |
4.2 ± 2.7 |
|
Биопрепарат |
7.3 ± 3.6 |
8.4 ± 2.9 |
11.2 ± 9.8 |
|
Обилие арбускул микоризной инфекции в корневой системе, A % |
|||
|
Контроль |
0.9 ± 3.8 |
0.6 ± 0.5 |
0.4 ± 0.6 |
|
Биопрепарат |
1.5 ± 0.7 |
0.8 ± 0.2 |
1.1 ± 3.3 |
Как видно из табл. 3, у всех исследованных растений выявлен высокий показатель частоты микоризации корневой системы, однако показатели интенсивности микоризной инфекции и обилие арбускул были низкие, даже после внесения биопрепарата.
В настоящее время проводится большое количество исследований по изучению влияния факторов и условий на формирование эндомикоризы растений. Арбускулярные грибы, как известно, являются облигатными биотрофными организмами и, как полагают, размножаются через споры, везикулы и гифы [1; 2]. При благоприятных условиях споры начинают прорастать в корнях хозяев и создают новый микоризный симбиоз. Гифы AMГ проникают в клетки корня и образуют особые «маленькие древовидные» грибковые структуры, называемые арбускулами, которые представляют собой связанные с мембраной органеллы различной формы внутри или вне клеток. Несмотря на то что арбускулы существуют лишь несколько дней, затем лизируются, в них осуществляется тесный обмен веществами между микоризными грибами и клетками корня [1; 2]. Проникновение микоризных грибов внутрь клеток корня – процесс сложный и до конца не понятный, но установлено, что связь микоризных грибов с корневым эпидермисом происходит из-за секреции полисахаридов корня. Перемещение продуктов фотосинтеза к корню увеличивает концентрацию углеродных соединений в корневых экссудатах. Это в основном аминокислоты, белки, соединения углерода, органические кислоты и регуляторы роста растений. Минеральный баланс и концентрация регуляторов роста растений непосредственно контролируют проницаемость клеток и механизм адгезии грибов на корне при микоризации [1; 2; 6; 9].
Очень низкие показатели интенсивности микоризной инфекции и обилие арбускулярных структур могут объяснять и невысокие показатели роста и биомассы исследуемых растений при внесении биопрепарата «Кормилица Микориза» в среду выращивания. Вероятно, полученные результаты могли быть связаны с различными факторами, в частности с тем, что происходила конкуренция видов АМГ, содержащихся в препарате, и грибов, находящихся в почве.
Заключение
В результате проведенных нами исследований показано, что биопрепарат «Кормилица Микориза» повышает рост и микоризацию (частоту, интенсивность колонизации и обилие арбускул в корневой системе) корней культурных растений (пшеница, горох, лук). Биопрепарат «Кормилица Микориза», состоящий из мицелия и спор гриба рода Glomus, колонизированных фрагментов корней, торфа, рекомендован для разных видов растительных организмов, однако от вида растения может зависеть эффект действия биопрепарата, так же как и сами арбускулярные микоризные грибы могут оказывать разные воздействия на растительные организмы. Таким образом, наши исследования показали: несмотря на то что все исследованные растения хорошо отзывались на внесение биопрепарата в почву, стимулирующий эффект препарата определяется видом сельскохозяйственной культуры. Наиболее отзывчивой культурой на внесение препарата в среду выращивания оказалась пшеница, менее – горох и лук.
При разработке для растениеводства препаратов, содержащих микоризные грибы, важным является понимание всех механизмов, а также условий, определяющих заселение корней различных растений микоризной инфекцией.