Введение к работе
Актуальность исследования. Растительно-микробные взаимодействия являются основой жизни на планете (Нетрусов, 2004; Кацы, 2007). Растения выделяют во внешнюю среду различные органические соединения, представляющие собой легкодоступный и весьма разнообразный субстрат для питания микроорганизмов. Микроорганизмы в жизни растений выполняют функцию средообразования и общего питания (Емцев, Мишустин, 2005; Игнатов, 2005, Тихонович, 2007). Они осуществляют разложение и минерализацию растительных остатков и органического вещества в целом, высвобождая и возвращая в почву минеральные элементы, необходимые для развития растений (Antoun, Kloepper, 2001; Barriuso et al, 2008)
Для интенсификации роста растений можно использовать бактерии, способные стимулировать рост растений, и являющиеся отличным способом замены химических удобрений и пестицидов. Для таких бактерий введено специальное сокращение PGPR (plant growth promoting rhizobacteria -ризобактерии, спосоствующие росту растений (Kloepper et al, 1980; Bashan, 1998; Persello-Cartieau et al., 2003; Van Loon, 2009).
Бактерии рода Bacillus, относящиеся к PGPR, являются наиболее распространенными в ризосфере растений. Эти микроорганизмы удивительно жизнеспособны, благодаря образованию эндоспор, вследствие чего могут выживать в неблагоприятных условиях среды. Бактерии рода Bacillus способны к разложению органических веществ в почве, повышению доступности для растений элементов питания за счет фиксации азота (Barea et al, 2005; Choudhary et al., 2009), мобилизации фосфатов и растворения недоступного фосфора (Venkateswarlu et al., 1984; Chaykovskaya et al., 2001; Lai, 2002; Sharma et al., 2007; Ghanem, Abbas, 2009), образования биологически активных веществ, повышать устойчивость растений к поражению некоторыми грибными патогенами (Глик, Пастернак, 2002; Штарк, 2003; Whipps, 2001). В связи с этим бациллы используют в качестве перспективных объектов для разработки биопрепаратов.
Известны исследования влияния ростостимулирующего эффекта бактерий рода Bacillus на овощные, злаковые и бобовые культуры (Broadbent et al., 1997; Groome et al., 1999; Карпунина, 2005; Чеботарь, 2007; Ghanem, Abbas, 2009). Но немногочисленны данные использования бактерий рода Bacillus в качестве стимуляторов роста и антифунгальных объектов для бобовых растений. Одной из перспективных культур для агропромышленного комплекса юга России является вигна (Vigna cylindrica), обладающая большой пищевой и кормовой ценностью.
Цель работы - исследовать особенности развития вигны (Vigna cylindrica) в условиях аридного климата Астраханской области при обработке суспензией штамма Bacillus megaterium Q57-31.
Для достижения поставленной цели следовало решить следующие задачи:
-
Изучить влияние факторов среды различной природы на особенности развития вигны (Vigna cylindrica) в условиях аридного климата Астраханской области.
-
Выделить и идентифицировать штамм бактерий из ризопланы (клубеньков) вигны (Vigna cylindrica).
-
Изучить способность выделенного штамма к азотфиксации и участию в круговороте фосфора.
-
Выявить фунгицидное действие штамма {Bacillus megaterium Q57 - 31) в отношении фитопатогенных грибов Fusarium culmorum, F. sporotrichoses, F. graminearum, F. poae, Alternaria tennuissima, Phytium ultimum.
-
Определить оптимальный титр клеток для обработки семян и растений вигны {Vigna cylindrica).
-
Изучить влияние выделенного штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 на морфометрические показатели развития вигны {Vigna cylindrica) в лабораторном и вегетационном экспериментах.
-
Определить оптимальные условия обработки семян вигны {Vigna cylindrica) суспензией штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 при бактеризации, однократном и двукратном проливе под корень.
-
Охарактеризовать урожайность вигны {Vigna cylindrica) при выращивании в полевых условиях с предварительной обработкой семян и растений суспензией штамма Bacillus megaterium Q57 - 31.
-
Разработать технологические схемы получения и применения суспензии штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 для обработки семян и растений вигны {Vigna cylindrica).
Научная новизна работы. Определены основные особенности развития вигны {Vigna cylindrica) в условиях аридного климата Астраханской области, с учетом влияния факторов среды различной природы.
Впервые выделены и генетически идентифицированы ризобактерии вида Bacillus megaterium из ризопланы (клубеньков) вигны {Vigna cylindrica), произрастающей в условиях Астраханской области.
Выявлена фитостимулирующая активность штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 влияющая на рост и развитие вигны (Vigna cylindrica) в лабораторных, вегетационных и полевых опытах.
Впервые обнаружены фунгицидные свойства штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 по отношению к фитопатогенным грибам родов Fusarium culmorum, F. sporotrichoides, F. graminearum, F. poae, Alternaria tennuissima, Phytium ultimum.
Представлена схема приготовления суспензии штамма Bacillus megaterium Q57 - 31 для обработки растений.
Предложена схема применения суспензии штамма Bacillus megaterium Q57 - ЗІ для обработки семян и растений вигны {Vigna cylindrica).
Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований являются основой для разработки микробиологических методов в агробиотехнологии с использованием бактерий вида Bacillus megaterium. Выделенный штамм помещен в коллекцию микроорганизмов кафедры биотехнологии и биоэкологии и лаборатории биотехнологий Астраханского государственного университета и используется в научно-исследовательских и учебных целях. Потенциальные возможности полученных бактерий могут быть использованы в качестве основы при разработке биопрепаратов фитостимулирующего и фунгицидного действия для сельскохозяйственных культур. Результаты исследования используются при чтении курсов «Введение в биотехнологию», «Биотехнология», «Систематическая и эволюционная микробиология», для студентов
биологических специальностей и магистров по направлению «Микробиология и вирусология».
На основании полученных результатов подготовлена заявка на патент РФ «Способ обработки семян и растений вигны (Vigna cylindrica) суспензией штамма Bacillus megaterium Q57 -31».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
С учетом особенностей развития и влияния ряда факторов среды, вигна (Vigna cylindrica) является перспективным растениям для выращивания в условиях аридного климата Астраханской области.
-
Выделенный штамм Bacillus megaterium Q57-31 является эффективным стимулятором роста и развития вигны (Vigna cylindrica) способствующий увеличению всхожести, количества вегетативных и генеративных побегов, бобов, количества семян в бобе, массы 1000 семян, площади листовой поверхности, урожайности.
-
Используемый штамм Bacillus megaterium Q57-31 обладает фунгицидной активностью по отношению к фитопатогенным грибам рода Fusarium, Alternaria, Phytium.
-
Разработаны технологические схемы получения и применения суспензии штамма Bacillus megaterium Q57-31 для обработки семян и растений вигны (Vigna cylindrica).
Апробация работы. Полученные экспериментальные исследования по диссертационной работе представлены на научных конференциях: V Всероссийская конференция молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой» 28 сентября - 1 октября 2010 г. - Учреждение Российской академии наук Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (ИБФРМ РАН) - г. Саратов; Международная научно-практическая конференция «Экология. Риск. Безопасность», посвященная 15-летию Курганского государственного университета и 35-летию кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» 20-21 октября 2010 г. (г. Курган); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» 7-10 декабря 2010 года - Министерства образования и науки РФ, Астраханский государственный университет, г. Астрахань; 61-я Международная студенческая научно-практическая конференция Астраханского государственного технического университета, 18 — 22 апреля 2011 г. -Министерство образования и науки Астраханской области, ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», г. Астрахань; 1-я Международная Интернет-конференция «Растения и микроорганизмы» 19 -21 апреля 2011, Виртуальное пространство Pax Grid. - кафедра физиологии и биотехнологии растений, ФГАОУ ВПО Казанского (Приволжского) федерального университета, г. Казань; IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», 22-25 сентября 2011 г. - ФГАОУ ВПО Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону.
Публикации. По результатам полученных исследований опубликовано 12 работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, и 4 глав результатов исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы. Общий объём работы составляет 147 страниц, содержит 26 таблиц, 24 рисунка и 3 приложения. Список литературы включает 201 источник, из них 117 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.б.н., профессору М.А. Егорову, всем сотрудникам кафедры биотехнологии и биоэкологии, всем сотрудникам лаборатории биотехнологии АГУ, а также сотрудникам Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого овощеводства и бахчеводства (ВНИИОБ), и лично директору ВНИИОБа д.с.-х.н. М.Ю. Пучкову, за помощь в организации и проведении экспериментальных полевых исследований, консультации, ценные советы и замечания, без которых бы эта работа не состоялась.
