Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Фасоль как ценная пищевая культура 9
1.1.1 Происхождение фасоли и ее значение 9
1.1.2 Характеристика фасоли как пищевой культуры 14
1.1.3 Ботаническое описание 13
1.1.4 Биологические особенности и требования к условиям произрастания 17
1.2 Микроорганизмы и их роль в сохранении и увеличении почвенного плодородия 17
1.2.1 Микроорганизмы и биологическая активность почвы
1.2.2 Ризосферная и корневая микрофлора 20
1.2.3 Микробные препараты и их эффективность 24
Глава 2. Условия, материалы и методы исследований 30
2.1 Объекты исследований и места проведения работы 30
2.2 Методика исследований 33
2.3 Метеорологические условия в годы проведения опытов 41
Глава 3. Влияние бактеризации семян фасоли на развитие растений и их продуктивность 52
3.1 Рост и развитие растений 41
3.2 Урожайность и семенная продуктивность 47
Глава 4 Влияние бактеризации семян фасоли на биологическую активность почвы 52
4.1 Ферментативная активность 52
4.2 Содержание и активность азотфиксаторов 58
4.3 Фитотоксическая активность 71
Глава 5. Влияние экологических факторов на эффективность бактеризации 80
5.1 Влияние повышенных температур 80
5.2 Влияние влажности почвы 82
5.3 Взаимотношения Agrobacterium sp. (AIA4), Pseudomonas sp. (PsI2), Rhizobium phaseoli с почвенными микроорганизмами 86
Выводы 91
Список основной использованной литературы 94
Приложения 128
- Ризосферная и корневая микрофлора
- Рост и развитие растений
- Содержание и активность азотфиксаторов
- Взаимотношения Agrobacterium sp. (AIA4), Pseudomonas sp. (PsI2), Rhizobium phaseoli с почвенными микроорганизмами
Ризосферная и корневая микрофлора
Все растения вступают в тесные взаимоотношения с почвенной микрофлорой. В почве, прилегающей к корням растений, микроорганизмов в несколько раз больше, чем в почве, находящейся на некотором расстоянии от корней. Это обусловлено тем, что здесь микроорганизмы имеют дополнительные источники питания - отмирающие клетки эпидермиса и корневые волоски, а также продукты экзоосмоса растений, включающие различные органические и минеральные кислоты, сахара, витамины, ферменты и прочие соединения (Возняковская, 1969; Самосова, 1971; Самцевич, Борисова, 1972; Ежов, 1974; Возняковская, Гасанова, 1976; Кравченко, Азарова, 1986; Паников и др., 1986; Мишустин, Емцев, 1987; Теппер и др., 1987; Cure, Truelove, 1986; Dormaar, 19 90) .
В ризосфере развиваются те же микроорганизмы, что и в почве. Состав и численность микроорганизмов ризосферы зависит от вида растений (Гребенюк, Наплекова, 1967; Ежов, 1974; Скворцова и др., 1986; Уляшова и др., 1986; Шляужене, Левинскайте, 1986) и меняется с возрастом (Гребенюк, Наплекова, 1967; Роговая, 1972; Юрчак и др., 1986) . Так если в зоне молодого корня в основном размножаются неспорообразующие бактерии (Pseudomonas, Mycobaterium и др.) , то на более поздних стадиях развития растения появляются бациллы и актиномицеты, а также возрастает число целлюлозоразрушающих микроорганизмов, практически отсутствующих в ризосфере молодых растений (Мишустин, Емцев, 1987). Что касается видовых особенностей растений, то отмечается, что наиболее высокой физиологической активностью по отношению к почвенным микроорганизмам обладают корневые выделения бобовых (Самцевич, 1972) .
Микрофлора поверхности корня несколько отличается по составу от микробного ценоза ризосферы. Так в ризоплане богаче представлен род Pseudomonas, а в ризосфере -Azotobacter и Clostridium (Емцев, 1967; Наумова, 1967; Мишустин, Емцев, 1987) .
Корневые и ризосферные микроорганизмы, находясь в непосредственной близости от корневой системы растений могут вступать с последними в специфические кооперации. Получая от растений питательные вещества микроорганизмы способны оказывать положительное влияние на рост и развитие растений. С этой точки зрения можно выделить четыре наиболее значимых их функции:
1) Отдельные микроорганизмы могут выступать в роли разрушителей органических и минеральных соединений, подготавливая минеральную пищу для растений (Самосова и др., 1971а,б; Павлова, 1986; Мишустин, Емцев, 1987; Бабьева, Зенова, 1989).
2) Обладая способностью к азотфиксации, микроорганизмы могут существенно улучшить условия азотного питания растений (Шкляр, 1958; Бородулина и др., 1967; Горюнова, Орлеанский, 1967; Градова-Крылова, 1967; Емцев, 1967; Иванов, 1967; Калниньш, 1967; Клевенская, Дударева, 1967; Кучкарова и др., 1967; Львов, 1967; Любимов, 1967; Майстренко, 1967; Мешков, 1967; Пиневич, Ковачева, 1967; Разумовская, 1967; Феоктистова, 1967; Шемаханова, Бунько, 1967; Шемаханова, Мишустин, 1967; Штина и др., 1967; Яковлев, 1967; Даутов, Минибаев, 1969; Загорье, Макарова, 1973; Иванов, 1973; Новикова и др., 1976; Алисова, 1979; Связывание молекулярного азота клубеньковыми бактериями в симбиотических и культуральных условиях, 1986; Мильто, Суховицкая, 1986; Чумаков, Емцев, 1989). К настоящему времени выявлено более 2 00 видов бактерий, обладающих различными уровнями азотфиксации. К таковым, прежде всего, относят бактерии рода Rhizobium, а также представителей родов: Azotobacter, Agrobacterium, Arthrobacter, Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas и др. (Кравченко, Макарова, 1986; Редькина, Калининская, 1986; Садыков и др., 1986; Оценка эффективности микробных препаратов в земледелии, 1991; Krieghoff, 1997) . В литературе также отмечается, что доля ассоциативной азотфиксации, осуществляемой растительно - микробными комплексами зависит от многих факторов (Никитина, Андресон, 1986) и может достигать 75% в общем пуле азота, поступающем в экосистему за счет биологического связывания (Биологическая фиксация азота, 1991). Согласно другим источникам, за счет данного процесса может быть связано от 10 до 25 кг N2 на гектар в год (Алиев, 1985; Бабьева, Зенова, 1989; Ницэ, Годова, 1989) . Благодаря симбиотической азотфиксации бобовых растений и клубеньковых бактерий может накапливаться до 300 кг азота на гектар (Мишустин, Шильникова, 1973) .
3) Среди продуктов метаболизма многих ризосферных микроорганизмов обнаруживаются регуляторы роста высших растений (Мочалов, 1986). Так, например, ауксины способны синтезировать многие представители рода Azotobacter; гиббереллиновые вещества - грибы рода Fusarium, бактерии родов Rhizobium и Agrobacterium (Фильченкова, Самосова, 1971; Груодене, 1986; Бабьева, Зенова, 1989) . Многие микроорганизмы являются продуцентами витаминов, которые могут оказывать стимулирующее влияние на ростовые процессы растений и их продуктивность (Возняковская, Оследкин, 1973; Рыбакова, 1973а; 1976; Возняковская, Гасанова, 1976).
4) Микрофлора зоны корня представляет собой определенный биологический барьер, влияющий на взаимоотношения высших растений и их патогенов (Марго, 1973а,б; Мишустин, Емцев, 1987; Бабьева, Зенова, 1989; Wandt, 1987; Werner, 1987; Hartmann, 1988). В частности, отмечается фунгистатическое влияние Azotobacter chroococcum на ряд грибов, включая Fusarium, Verticillium, Pythium, Alternaria, Penicillium и пр. (Емцев, 19 67; Наумова, 1967) .
Рост и развитие растений
По данным ряда авторов, проводивших эксперименты с различными сельскохозяйственными культурами, известно, что предпосевная обработка семян микробными препаратами может оказывать существенное влияние на рост и развитие растений (Самосова, Фильченкова, 1971; Фильченкова, Самосова, 1971; Ищенко, 1972; Рыбакова, 1973; Фомичев, 1981) .
Результаты проведенных нами исследований показали, что бактеризация семян фасоли изучаемыми культурами микроорганизмов может давать значительный эффект по ряду показателей.
Существенное положительное влияние на растения фасоли нами было отмечено в вариантах с инокуляцией Pseudomonas sp. (PsI2) и Rhizobium phaseoli. В первом случае масса растений в начале вегетации была выше, по сравнению с контролем без обработки, на 19,7-27,2%, во втором - на 8,7-31,8% (табл. 6). К периоду цветения -начало плодообразования разница была больше и составила 17,3-7 4,9% (в вариантах с инокуляцией Pseudomonas sp. (Psl2)) и 47,8-67,8% (в вариантах с инокуляцией Rhizobium phaseoli) (табл. 7) . При этом четкой зависимости между развитием надземной массы и корней и обработкой указанными микроорганизмами нами установлено не было.
Кроме массы растений, в ходе проведения эксперимента, учитывалась масса листьев и их площадь.
Листья являются основными органами, поглощающими энергию света, и играют важную роль при формировании урожая (Ничипорович, 1963; Корнилов, 1968; Пруцков, 1977) .
Полученные результаты показывают, что в большинстве вариантов изменение массы и площади листьев сочеталось с изменением массы растений (табл. 6-9).
Нами отмечалось, что растения фасоли инокулированные Pseudomonas sp. (Psl2) и Rhizobium phaseoli уже в начале вегетации имели значительно большую массу и площадь листьев. К периоду цветения - начало плодообразования данные показатели были выше по сравнению с контрольными на 24,0 - 51,0% (табл. 8,9).
Указанные выше закономерности отмечались нами по всем изучаемым сортам во все годы исследования. Максимальный положительный эффект от инокуляции Pseudomonas sp. (Psl2) и Rhizobium phaseoli был отмечен в 2000 году (приложение 7-15).
Из средних данных за 19 97 - 2 000 гг., представленных в таблицах 6-9 можно заключить, что бактеризация семян фасоли Agrobacterium sp. ( AIA4) оказывала положительное влияние на растения на начальных стадиях их развития. Тогда как к периоду цветения - начало плодообразования разница в массе растений, в массе и площади листьев между контрольными и инокулированными растениями была незначительной.
Причем, следует отметить, что эффект от инокуляции Agrobacterium sp. ( AIA4) в определенной степени зависел от агрометеорологических условий года. Данные приложений 7-14 показывают, что некоторое положительно влияние Agrobacterium sp. (AIA4) отмечалось в 1997-1999 гг.
Достоверность такого предположения отчасти может быть подтверждена тем, что, во-первых, фасоль является культурой, требовательной к влаге (Зернобобовые культуры в интенсивном земледелии, 1986), а во-вторых, в условиях достаточного увлажнения, особенно в первые дни после посева, создаются благоприятные условия для формирования эффективного симбиоза растений и микроорганизмов, что усиливает действие микробиологических препаратов (Связывание молекулярного азота клубеньковыми бактериями в симбиотических и культуральных условиях, 198 4; Воробьев, 1998).
Содержание и активность азотфиксаторов
Многие авторы указывают, что активность азотфиксаторов в ризосфере растений, включая и представителей семейства Leguminosae, намного выше, чем в почве без корней (Федоров, 1948; Березова, 1965; Ягодина, Веревкин, 1978, Клевенская, 1981) . Такое влияние растений связано с тем, что азотфиксирующие микроорганизмы, ассоциированные с растениями, имеют дополнительный источник энергии в виде продуктов экзоосмоса и корневого опада растений.
Результаты нашего исследования также показывают, что Azotobacter активнее развивался в почве занятой растениями фасоли (рис. 5). Из данных приложения 24 видно, что в условиях 1998, 1999 гг. нами наблюдалось увеличение содержания Azotobacter в летние месяцы и снижение - к осени, что вполне согласуется с изменением факторов окружающей среды, прежде всего, температуры и влажности, а также (в вариантах с растениями фасоли) с сокращением к концу вегетации объемов корневых выделений. В 2000 году нами было отмечено снижение (до 20%) содержания азотобактера в июне (в начале вегетации растений) по сравнению с данными, полученными в мае (прил. 25) . На наш взгляд, угнетение Azotobacter в этот период могло
Кроме того, нами отмечалось, что в первую половину вегетации содержание Azotobacter в почве занятой зерновыми сортами фасоли (Биичанка и Светлая) была выше, по сравнению с почвой под овощными сортами (Сакса без волокна 615 и Махі) (рис. 5) . А во вторую половину вегетации наблюдалась противоположная картина, что указывает на разницу в характере поступления в почву корневых эксудатов у указанных групп сортов фасоли.
Как показано на рисунке бив приложениях 26, 27 содержание олигонитрофилов в почве под фасолью было ниже, чем в почве без растений. Это объясняется тем, что в первом случае расход соединений азота из почвы, за счет потребления растениями, выше, нежели во втором.
При сравнении развития Azotobacter и олигонитрофилов под фасолью (рис. 5, б) можно заметить, что увеличение содержания Azotobacter к осени под овощными сортами сопровождалось снижением содержания олигонитрофилов. Возможно, это связано с подавлением грибов, преобладающих среди обнаруженных нами олигонитрофилов. Такое предположение согласуется с данными Е.Н. Мишустина, А.Н Петровой (1958); Е.Н. Мишустина, А.Н. Наумовой, В.Г. Марьенко (1963), указывающих на фунгистатические свойства азотобактера по отношению к видам Fusarium, Alternaria, Penicillium и др.
При сравнении влияния инокулированных и неинокулированных растений фасоли на развитие азотобактера, нами существенных отличий обнаружено не было (рис. 7) . А как показано на рисунке 8, активность олигонитрофилов в почве в вариантах с бактеризацией всеми изучаемыми штаммами была незначительно ниже, чем в почве с незараженными растениями.
Деятельность симбиотических азотфиксаторов оценивалась по образованию клубеньков на растениях фасоли, при этом учитывались такие показатели как число клубеньков, их размер, масса (в тех случаях, когда количество клубеньков было достаточным для этого).
Результаты исследования показали, что в условиях лесостепи Приобья процесс клубенькообразования у фасоли, при выращивании ее на багаре, в большой степени определяется погодными особенностями года. Из данных, приведенных в приложениях 28-31, видно, что наибольшее количество клубеньков в пахотном слое почвы (во всех вариантах опыта) нами обнаруживалось в 2000 году, когда гидротермические условия были близки к оптимальным и для развития растений фасоли, и для развития клубеньковых бактерий.
Для более полного учета клубеньков в 1999, 2000 годах были поставлены опыты в сосудах без дна. Сравнение полученных данных (прил. 32, 33) показывает, что расхождение результатов учета количества и массы клубеньков в полевых опытах и в опытах в сосудах - значительны, особенно данные 1999 года. Учитывая, что высота сосудов была 4 0 см, а отбор почвенных образцов в полевых опытах проводился с глубины 0-2 0 см, можно сделать вывод, что в условиях пониженного увлажнения 1997-1999 гг. основная часть клубеньков фасоли была сосредоточена в подпахотном слое почвы. По этой причине весьма затруднительной представляется оценка активности симбиотических азотфиксаторов по результатам полевых опытов 1997-1999 годов.
Ниже приводится анализ данных полевых опытов (2000г.) и опытов в сосудах без дна (1999-2000 гг.)
Сравнительная оценка клубенькообразующей способности изучаемых сортов показывает, что наибольшее количество клубеньков и максимальная их масса в большинстве случаев отмечалась у растений сортов Maxi и Светлая (рис. 9) .
На рисунке 10 показано, что на корнях растений, инокулированных Pseudomonas sp.(PsI2) и Rhizobium phaseoli образовывалось большее количество клубеньков; их масса также была выше, по сравнению с контрольными растениями.
Из данных, отраженных на рисунке 11 видно, что при этом возрастала доля крупных клубеньков (размером 3-4 мм в диаметре).
Согласно данным 2000 года (прил. 31), положительное влияние инокуляции этими штаммами проявляется уже вначале вегетации растений и сохраняется к периоду цветения -начало плодообразования.
Данные приложений 32, 33 показывают, что больший положительный эффект от инокуляции в указанных вариантах отмечался в 1999 году, когда количество клубеньков в зависимости от сорта возрастало в 1,6 - 6,2 раза, а их масса в 2,0 - 9,7 раз; в 2000 году количество клубеньков увеличивалось в 1,2 - 1,9 раза, а их масса в 1,7 - 2,2 раза.
Сравнительный анализ нитрогеназной активности клубеньков показал, что овощные сорта фасоли обладают большим потенциалом к азотфиксации; согласно полученным данным их нитрогеназная активность была в 1,4 - 3,0 раза выше, чем у зерновых сортов (табл. 12).
Бактеризация семян фасоли всеми изучаемыми штаммами микроорганизмов оказала положительный эффект. Достоверное увеличение нитрогеназной активности клубеньков (в 1,4 - 2,5 раза) нами отмечалось в вариантах с бактеризацией Pseudomonas sp.(PsI2) (табл.12).
Во всех вариантах опыта обнаруженные нами клубеньки имели розовую окраску, что свидетельствует о наличии в них леггемоглобина и указывает на их физиологическую активность (Зернобобовые культуры в интенсивном земледелии, 198 6; Генина и др., 198 7; Мишустин, Емцев, 1987) .
На эффективность симбиоза растений фасоли, инокулированных микроорганизмами, указывает и тот факт, что увеличение количества клубеньков на корнях макросимбионта не сопровождалось увеличением оттока фотоассимилятов в корни и, как следствие, снижением массы растений (рис. 12) . Напротив, увеличение массы растений является косвенным показателем повышения азотфиксирующей активности в указанных вариантах.
Взаимотношения Agrobacterium sp. (AIA4), Pseudomonas sp. (PsI2), Rhizobium phaseoli с почвенными микроорганизмами
Многие авторы указывают на то, что характер взаимоотношений между естественной микрофлорой почвы и интроду-цируемыми микроорганизмами является определяющим фактором, от которого зависит эффективность приживаемости последних в почве (Лазарева, 1958; Класен, 1986; Кобзырева, 1986; Кравченко, Макарова, 1986; Сабельникова и др., 1986) .
При изучении влияния почвенных микроорганизмов на развитие исследуемых штаммов бактерий нами было обнаружено, что бактериальная флора в восьми случаях из восемнадцати оказывала стимулирующее влияние на развитие Rhizo-bium phaseoli (табл. 16). По отношению к Agrobacterium sp.(AIA4) и Pseudomonas sp. (PsI2) встречались как стимуляторы, так и антагонисты; особенно подавляли рост Pseudomonas sp. (PsI2) - Bacillus sp. № 3 и Bacillus cereus № 42; Agrobacterium sp. (AIA4) - Pseudomonas herbicola и Bacillus aglomeratus.
Среди тестируемых актиномицетов, ингибиторов интро-дуцируемых бактерий обнаружено не было.
Грибная флора чаще вызывала угнетение роста изучаемых микроорганизмов. По отношению к Agrobacterium sp.(AIA4) наиболее сильное антагонистическое действие было выявлено у Aspergillus, по отношению к Pseudomonas sp.(PsI2) и Rhizobium phaseoli - Penicillium и Rhizocto-nia (табл. 16).
Такие взаимоотношения следует рассматривать как биотический экологический фактор, оказывающий влияние на интродукцию изучаемых бактерий в исследуемых черноземах.
Таким образом, в условиях высоких среднесуточных температур (30С) бактеризация семян фасоли культурами Agrobacterium sp. (AIA4) и Pseudomonas sp. (PsI2) оказывает отрицательное влияние на развитие растений и формирование ими бобово-ризобиального симбиоза.
Для развития растений фасоли и формирования ими эффективного симбиоза с клубеньковыми бактериями наиболее благоприятны условия увлажнения почвы на уровне 55% от полной влагоемкости. В этих же условиях выше эффективность бактеризации Rhizobium phaseoli.
Среди представителей почвенной микрофлоры выявлены стимуляторы и ингибиторы роста Agrobacterium sp. (AIA4) и Pseudomonas sp. (PsI2), Rhizobium phaseoli, которые могут оказывать влияние на эффективность бактеризации.
