Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 12
1.1 Фитопатогенные консорты яровых зерновых культур 14
1.2 Эпифитная микрофлора зерновых культур 26
1.3 Сообщество микроорганизмов ризосферы и микориза 33
1.4 Современные направления и проблемы экологизации защиты растений от болезней 39
Заключение 51
2 Условия, объекты и методы исследований
2.1 Условиями объекты исследований 54
2.2 Стандартные (традиционные) методы исследований 62
2.3 Модернизированные методы исследований 68
2.3.1 Способ количественного анализа гриба в почве 68
2.3.2 Способ определения характеристик популяций эпифитной микрофлоры злаковых культур в лабораторных условиях 73
2.3.3 Способ интродукции гриба-антагониста Trichoderma lignorum в филлосферу растений 74
2.3.4 Способ регуляции структуры популяций микроорганизмов
в условиях пестицидного прессинга 75
2.4 Математические методы анализа 77
3 Микробные ассоциации зерновых агроценозов и концептуальная модель управления ими в условиях уральского региона 82
3.1 Общая характеристика микробно-растительных ассоциаций зерновых агроценозов Уральского региона: состав и особенности функционирования в условиях окружающей среды 82
3.2 Концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зерновых культур 126
Заключение 155
4 Ассоциативная микрофлора на семенах и колосе яровой пшеницы и ячменя 156
4.1 Состав, экологические ниши и биоценотические взаимодействия микрофлоры семян и колоса зерновых культур 156
4.2 Приемы управления ассоциативной микрофлорой зерна и колоса хлебных злаков 166
Заключение 186
5 Управление ассоциативной микрофлорой листовой поверхности зерновых культур 187
5.1 Состав микробных ассоциаций филлосферы злаков 187
5.2 Биоценотические связи эпифитной и фитопатогенной микрофлоры листовой поверхности злаков 206
5.3 Подходы к управлению полезной и нежелательной микрофлорой филлосферы яровой пшеницы и ячменя 223
Заключение 242
6 Ассоциации ризосферных микроорганизмов и приемы управления ими в зоне исследований 244
6.1 Состав и биоценотические связи ризосферной микрофлоры зерновых культур 244
6.2 Почвенная микрофлора в условиях севооборота, разных типов обработки почвы и агротехнологий 272
Заключение . 304
7 Эффективность приемов экологически безопасной защиты зерновых культур 306
7.1 Сравнительный анализ зональной интегрированной и экологически безопасной систем защиты зерновых культур 306 -
7.2 Экономическая эффективность приемов активизации полезной микрофлоры зерновых культур 316
7.3 Энергетическая эффективность защитных мероприятий в агроценозах Восточного Урала 321
Заключение 326
Общее заключение 328
Выводы 330
- Эпифитная микрофлора зерновых культур
- Способ количественного анализа гриба в почве
- Концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зерновых культур
- Приемы управления ассоциативной микрофлорой зерна и колоса хлебных злаков
Введение к работе
Актуальность темы. Основой создания экологически безопасных технологий защиты растений должны стать работы по изучению взаимоотношений между компонентами биологических сообществ, разработке механизмов управления популяциями микроорганизмов, что позволит провести дальнейшее совершенствование интегрированных систем защиты растений (Новожилов, 1993, 1995; Павлюшин, 2008) на базе широкого использования механизмов и структур саморегуляции агробиогеоценозов (Жученко, 1994; Кирюшин, 1996).
Наш вклад в совершенствование системы интегрированной защиты зерновых культур состоял в исследованиях особенностей структурно-функциональной организации микробно-растительных ассоциаций и консортных связей микроорганизмов в зерновых агроэкосистемах, поиске приемов управления и стабилизации микробных популяций в конкретных природно-климатических условиях региона.
Цель работы. Разработать экологические основы управления микробно-растительными ассоциациями и биоценотическими связями микроорганизмов для дальнейшего совершенствования системы интегрированной защиты зерновых культур от болезней в Уральском регионе РФ.
Задачи исследований:
Изучить видовой состав микробно-растительных ассоциаций ризосферы и филлосферы яровой пшеницы и ячменя.
Выявить биоценотические связи фитопатогенных и полезных микроорганизмов и их типы в природно-климатических условиях Восточного Урала.
Разработать систему управления ассоциативной микрофлорой зерновых агроэкосистем для экологически безопасной защиты растений.
Определить роль ключевых элементов агротехники в фитосанитарной оптимизации зерновых агроценозов.
Разработать методы эффективной интродукции биоагентов в природные местообитания.
Оценить с биоэнергетических и экономических позиций эффективность системы экологически безопасной защиты зерновых культур.
Научная новизна:
Впервые для Уральского региона РФ определен состав и структура микробно-растительных ассоциаций зерновых культур, выделены доминирующие виды. Показано, что агроценоз зернового поля представляет собой биологическую систему, которая дискретна, структурирована, и включает помимо эдификатора – яровой пшеницы (ячменя) 10 видов наиболее распространенных и вредоносных возбудителей заболеваний (Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechsler.; Pyrenophora graminea S. Ito & Kurib.; Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoem.; Fusarium culmorum (W.G. Sm.) Sacc. и др. виды; Stagonospora nodorum (Berk.) Berk.; Ustilago nuda f. sp. tritici Schaffni; Ustilago hordei (Pers.) Lagerh.; Blumeria graminis (DC.) Speer; Puccinia triticina Eriks.; Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici A.L. Guyot, Massenot & Saccas; и более 40 видов сапротрофной конкурентной, антагонистической или индифферентной мико- и микрофлоры.
Впервые на основе изучения структурно-функциональной организации агроценоза пшеницы (ячменя) проведена классификация микробно-растительных ассоциаций, выделено шесть типов микробных сообществ: 1) в зависимости от характера связей доминирующих видов с растением-эдификатором: а) детерминированная фитопатогенная ассоциация филлосферы и ризосферы злаков, где ведущую роль играют фитопатогенные грибы с эволюционно сложившимися, устойчивыми связями с питающим растением; б) нестабильная фитопатогенная ассоциация, где доминируют фитопатогенные грибы с лабильными связями с питающим растением; в) микробная ассоциация филлосферы и ризосферы здорового растения, где доминируют сапротрофные микроорганизмы с широким спектром связей с растением-эдификатором: от симбиотических до индифферентных; 2) микробные ассоциации, сопряженные во времени с морфогенетическим состоянием растения-эдификатора: а) на I – IV этапах органогенеза, б) V – VIII, в) IX – XII этапах. Все они специфичны по видовому составу микрофлоры, по пространственно-временным характеристикам распределения микроорганизмов в онтогенезе на растениях.
Анализ биоценотических взаимодействий возбудителей пиренофороза, мучнистой росы, бурой листовой ржавчины, септориоза и обыкновенной корневой гнили с сапротрофной ризосферной и эпифитной микрофлорой показал, что между членами синузий складываются сложные отношения: от индифферентных до паразитических. Взаимодействующие виды связаны между собой либо конкуренцией за общие субстраты, либо кооперацией в их использовании. Структурно-функциональная организация микробоценозов, их видовое разнообразие, характер развития в значительной мере определяются меж- и внутривидовыми взаимоотношениями. Изучение грибных и бактериальных синузий культурных злаков позволило все их многообразие по характеру взаимоотношений системообразующих видов объединить в следующие типы: протокооперативные, синергистические и метабиотические (+ / +), т.е. когда межвидовое взаимодействие полезно для обоих видов, но не является облигатным, и каждая популяция может существовать в отсутствие партнера; паразитические и гиперпаразитические (+ / ); конкурентные, в т.ч. антагонистические ( / ); по типу комменсализма (+ / 0); симбиотические (+ / +); смешанные (комменсализм – метабиоз); индифферентные (0 / 0). Доля каждого из этих типов взаимоотношений составляет ориентировочно 33,8% (кооперация), 20,7% (паразитизм), 14,0% (конкуренция), 10,0% (комменсализм), 19,0% (смешанный тип), 1,5% (симбиоз), 1,0% (нейтрализм).
Впервые показана возможность управления биоценотическими связями патогенов в местных природно-климатических условиях, используя антагонистический потенциал сапротрофной микрофлоры. Перспективными антагонистами возбудителей болезней являются микромицеты, обладающие высокой радиальной скоростью роста колоний, бациллярная микрофлора. Впервые установлена связь между уровнем поражения листьев яровой пшеницы септориозом и пиренофорозом и обилием в филлосфере растений эпифитных пенициллов, триходермы, бациллярных форм микроорганизмов.
Впервые на основе системного исследования и экспериментальных данных создана система управления микробно-растительными ассоциациями зернового агроценоза, включающая блоки: а) блок мониторинга фитосанитарной обстановки в посевах – традиционные методы, а также модифицированные и запатентованные (патенты Российской Федерации на изобретения: № 2233887; № 2261271) методы определения параметров популяций фитопатогенных и полезных видов микроорганизмов; б) агротехнический – плодосменный севооборот, обеспечивающий бездефицитный баланс гумуса и оптимизацию фитосанитарной обстановки, органические удобрения, раннеспелый сорт, способствующий накоплению в филлосфере антагонистов патогенных видов, ранние сроки посева, создание фонда семян с высокими посевными и фитосанитарными показателями; в) блок биотехнологический – управление -разнообразием путем искусственной интродукции биоагентов в филлосферу и ризосферу растений, увеличение биологического разнообразия агроценозов, в т.ч. разнообразия антагонистов, распределения видовых обилий; г) блок агрохимический - улучшение условий для естественного микробного сообщества за счет использования макро- и микроудобрений, применение пестицидов в сниженных нормах расхода в сочетании с внекорневыми минеральными подкормками и биопрепаратами..
Впервые изучена реакция эпифитной микрофлоры листьев ярового ячменя и пшеницы на обработку баковыми смесями гербицида и фунгицида с мочевиной, водорастворимые микроудобрительные составы Показано, что азотные подкормки существенно снижают токсичность вытяжек сока из листьев и корней растений после обработки пестицидами. Доказана целесообразность совместного использования пестицидов с внекорневыми подкормками растений азотом для управления динамикой и структурой популяций эпифитной микрофлоры (патент РФ № 2225112).
Обоснованы приемы эффективной интродукции антагониста Trichoderma lignorum в филлосферу растений. Использование спорово-мицелиальной суспензии позволяет антагонисту эффективно адаптироваться в различных экологических нишах (колос, листья) в течение длительного периода времени (до 20 суток и более). При этом можно не прибегать к повторным обработкам растений, что важно в экономическом плане и с точки зрения охраны окружающей среды (патент РФ № 2285406).
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Предлагаемые приемы усовершенствования системы интегрированной защиты растений на основе экологического подхода, в частности управления ассоциативной микрофлорой зернового агроценоза позволяют биологизировать защиту зерновых культур от болезней, в десятки раз снизить пестицидную нагрузку на агроэкосистемы; годовой экономический эффект от внедрения элементов технологии экологически безопасной защиты зерновых культур на площади 1350 га составляет более 250 тыс. руб.
Разработанные и запатентованные методы определения динамических характеристик и структуры сообществ и популяций фитопатогенных и полезных видов микроорганизмов позволяют повысить информативность, результативность и прогностическую ценность мониторинга фитосанитарной обстановки в посевах.
Даны рекомендации использования пестицидов с внекорневыми подкормками растений азотом для управления динамикой и структурой сообществ эпифитной микрофлоры. Показано, что дополнительный источник минерального азота способствует оптимизации структуры и динамики микробного сообщества эпифитов.
Результаты исследований использованы в книгах: "Биология и экология микроорганизмов-консортов ярового ячменя в условиях современных агротехнологий", "Новые технологии в защите растений", «Экологизация технологий растениеводства радиационно-загрязненной зоны Уральского региона», «Восточно-Уральский радиационный след», "Эпифитная микрофлора зерновых агроэкосистем", «Методы исследований в защите растений, генетике, селекции и первичном семеноводстве», брошюре "Микроорганизмы-консорты ярового ячменя: вопросы биологии и экологии".
Отдельные положения диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке магистров по специальностям «Защита растений» и «Экология».
Основные положения, выносимые на защиту:
Состав и типы структурно-функциональной организации микробно-растительных ассоциаций зернового агроценоза, спектр биоценотических взаимодействий системообразующих видов, тактика управления консортными связями патогенов в природно-климатических условиях Уральского региона.
Система управления ассоциативной, в т.ч. патогенной микрофлорой зернового агроценоза, включающая: а) фитосанитарный блок, в том числе мониторинг болезней в посевах, б) блок агротехнических мероприятий - плодосменный севооборот, органические удобрения, раннеспелый сорт, сроки посева, фонд семян с высокими посевными показателями; в) блок биотехнологический - искусственная интродукция биоагентов, увеличение биологического разнообразия агроценозов, г) блок агрохимический - улучшение условий для естественного микробного сообщества за счет использования макро- и микроудобрений, применение пестицидов в сниженных нормах расхода в сочетании с внекорневыми подкормками.
Экологически безопасная система защиты зерновых культур от болезней в Уральском регионе РФ, обладающая высокой энергетической и экономической эффективностью, обеспечивающая повышение продуктивности этих культур.
Личный вклад автора. Работа является обобщением результатов исследований, выполненных автором лично в течение 18 лет по разработанным им методам и рабочим программам. В экспериментальных работах в разное время принимали участие студенты-дипломники факультета естественных наук КГУ. Автор благодарен коллегам по работе – Ю.А. Усольцеву, М.Н. Ткаченко, Ю.А. Вершинину, Н.В. Плотникову, А.В. Созинову (руководители полевых опытов) за предоставленную возможность проведения наблюдений на их опытах.
Особая благодарность научному консультанту, доктору с. – х. наук, профессору, академику МАНЭБ Голощапову А.П. за постоянное внимание и консультации.
Апробация работы. Основные материалы исследований доложены на зональных научных конференциях: "Наука – сельскому хозяйству" (Курган, 1994), "Охрана окружающей среды и экологическая безопасность населения" (Курган, 1995), "Достижения аграрной науки – в практику Уральского земледелия" (Челябинск, ЧНИИСХ, 1995), материалах региональной научно-практической конференции (Курган, 1995), "Экология и здоровье" (Курган, 1996), региональной научно-практической конференции "Аграрная наука: проблемы и перспективы" (Курган, 2002), IV Фестивале-конкурсе "Новые горизонты" (Курган, 2002), научно-практической конференции "Наука – сельскому хозяйству" (Курган, 2003), Всероссийских научно-практических конференциях "Проблемы АПК в условиях перехода на устойчивое развитие региона" (Курган, 2000), "Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы" (Ульяновск, 2005), международных научно-практической конференциях "Научные результаты – агропромышленному производству" (Курган, 2004), «Достижения науки в реализацию национального проекта развития АПК» (Курган, 2006), «Вавиловские чтения – 2009» (Саратов, 2009).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в журналах "Защита и карантин растений", "Аграрная наука", "Вестник защиты растений", "Аграрный вестник Урала", "Сибирский вестник сельскохозяйственной науки", материалах международных, всероссийских и региональных научных конференций. Всего по теме диссертации опубликовано 64 научные и научно-методические работы, в том числе 4 монографии, 4 изобретения, защищенные патентами Российской Федерации. В рецензируемых журналах ВАК РФ и приравненных к ним изданиях опубликовано 15 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 429 страницах, состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и предложений производству, приложений. Содержит 75 таблиц и 59 рисунков. Список использованной литературы включает 380 источников, в том числе 39 – иностранных авторов.
Эпифитная микрофлора зерновых культур
Микрофлора поверхности листьев признана в настоящее время важным объектом исследования [106, 185]. Микроорганизмы-эпифиты способны вступать в антагонистические отношения с фитопатогенными организмами, что в ряде случаев позволяет применять их для контроля численности вредных объектов. Эпифиты оказывают существенное влияние на рост и развитие растений, качество семян и другой растениеводческой продукции, могут быть использованы в целях повышения продуктивного потенциала и адаптивных возможностей сельскохозяйственных культур.
Биоэкологические особенности и состав эпифитных микроорганизмов. Численность и разнообразие микрофлоры существенно зависят от вида растения, «і его возраста и местообитания, климата, погодных условий. Количество бактерий и t грибов на поверхности растений во время вегетации не всегда одинаково. Роль дрожжей и гифальных грибов возрастает помере развития листьев. На стареющих и старых листьях грибная флора весьма многочисленна и нередко доминирует [79]. Значительно увеличивается количество микроорганизмов на растениях после дождя, во влажную погоду, в сухую, наоборот, уменьшается [48]. Погодные условия отражаются и на качественном составе эпифитной микрофлоры. і Большая часть эпифитных микроорганизмов, относится к группе аммонификаторов; наряду с ними встречаются молочнокислые бактерии, бактерии группы кишечной палочки (БГКП), дрожжи и плесневые грибы. В микробных ценозах листовой поверхности некоторых растений споровые бактерии занимают более или менее значительное место [77, 78] Состав бактериальной флоры на растениях неоднороден. По данным Ю.М! Возняковской [48] большинство встречающихся микроорганизмов принадлежит к родам Pseudomonas (Ps. herbicola, Ps. fluorescens, Ps. rubra, Ps. denitrificans, Ps. liquefaciens и др.), Mycobacterium (Мус. mucosum, Мус. globiforme, Мус. album и др.), Sarcinia, Planosarcina, Lactobacterium (Lcb. plantarum), Micrococcus, Chromobacterium, Bacillus (Вас. megatherium, Вас. mesentericus). На древесных и кустарниковых породах преобладают дрожжи, микобактерии и псевдобактерии, на однолетних культурных растениях—псевдомонады, хромобактерии, микобактерии, мико- и микрококки. Состав микробных ценозов филлосферы различных растений (в том числе яровой пшеницы) в условиях Западной Сибири изучали ученые Центрального Сибирского ботанического сада [79]. Ими отмечена обильная дрожжевая флора, представленная родами Cryptococcus, Rhodotorula, Sporobolomyces; показано, что актиномицеты постоянно сопутствуют эпифитной микрофлоре, однако находятся в очень ограниченном количестве. Среди микроскопических грибов в филлосфере растений ведущее место занимают виды родов Pullularia, Cladosporium, Alternaria, Fusarium, стерильные мицелии из рода Peyronella [147].
Исходя из сказанного, выделим три характерные черты консорций эпифитных микроорганизмов яровых зерновых культур: 1 — обилие дрожжей и темноцветных гифомицетов (семейство Dematiaceae), 2 — доминирование среди прокариот бациллярных форм, 3 — низкая встречаемость актиномицетов.
Разнообразие сообществ микроорганизмов, населяющих листья и стебли растений, как правило, невелико, хотя видовое богатство может быть в отдельных случаях достаточно высоким. Тем не менее, видовое богатство консорций эпифитов еще не свидетельствует о высоком разнообразии, поскольку особи между видами распределены крайне неравномерно. Низкая- выравненность в распределении видовых обилий - один из признаков-низкого разнообразия:
Так, оценивая разнообразие эпифитных грибов на злаке Lolium perrene с учетом четырех основных математических моделей экологии сообществ (геометрический ряд, лог-ряд, лог-нормальное распределение, модель «разломанного стержня»), М.Р. Томас и Р.К. Шетток [385] пришли к заключению, что распределение видовых обилий грибов наиболее адекватно описывается моделями геометрического и логарифмического ряда. Обе модели отражают ситуацию с доминированием немногих видов-при очень низкой численности остальных.
Одна из характерных черт сообщества эпифитов — немногочисленность антагонистов возбудителей болезней. Видовые популяции эпифитов склонны в большей мере дополнять друг друга, чем прямо конкурировать за ресурсы и использование объема ниши. Такие типичные антагонисты как грибы р. Trichoderma и актиномицеты редко встречаются в филлосфере растений. Другой особенностью консорций эпифитов является то, что в целом они имеют низкий уровень биологического разнообразия, о чем мы говорили выше. Значительной неравномерностью отличается и расположение клеток на поверхности листа. Между микроколониями и отдельными клетками остаются значительные пространства, что создает предпосылки для успешной колонизации листьев возбудителями болезней. Такой же неравномерностью отличается расположение клеток на поверхности листа. Между микроколониями и отдельными клетками остаются значительные пространства, которые могут быть заняты случайно занесенной микрофлорой.
Эпифитная микрофлора и агрохимикаты. Для эффективного управления консортивной микрофлорой растений важно иметь четкие представления- о том, как влияют на нее агротехнические мероприятия, чтобы модифицировать их для большего накопления и сохранения антагонистов.
Информации о действии агрохимикатов на микроорганизмы филлосферы в научной литературе очень мало, в основном материалы касаются прикорневой и почвенной микрофлоры. Поэтому мы сочли целесообразным при рассмотрении существа вопроса использовать литературные данные, касающиеся влияния агрохимикатов на почвенные микроорганизмы.
Гербициды. Применение большинства гербицидов в рекомендованных дозах вызывает некоторое снижение общей численности бактерий. За этим снижением следует подъем до исходного значения или выше [27, 383].
Способ количественного анализа гриба в почве
Для того чтобы, ответить на вопросы, касающиеся распространения, численности, выживания, особенностей паразитизма возбудителей корневых гнилей и их взаимоотношений с другими почвенными микроорганизмами, исследователь должен прибегнуть к весьма специфическим и нередко сложным приемам.
Один из первых обзоров по методам обнаружения в почве грибов-возбудителей болезней корней был представлен Дж. X. Уоркапом [300] на международном симпозиуме по микробиологии почвы и грибам, вызывающим заболевания корней. В нем дан критический анализ возможностей метода разбавленных сред и почвенных разводок, методов погружения питательных сред в почву, выделения, гиф и некоторых специальных методов, в частности флотационного метода. Методы не нашли широкого применения для учета численности и активности в почве фитопатогенных грибов из-за их трудоемкости и субъективности оценок. Другие методы в дальнейшем были усовершенствованы и включены в руководства по микробиологии и фитопатологии [118, 176, 292]. Так появились новые методы» изучения микробных популяций в почве — иммунофлуоресцентной микроскопии, метод антибиотикоустойчивых вариантов и метод мембранных камер [125, 176, 280, 281, 283]. Каждый из упомянутых методов обладает своими достоинствами и недостатками, разной разрешающей способностью и уровнем сложности, поэтому большинство исследователей стремятся: использовать не один метод,, либо усовершенствовать те из них, с которыми преимущественно работают.
Занимаясь- изучением экологии популяций основного возбудителя корневой гнили зерновых культур - гриба Bipolaris sorokiniana, мы разработали и; предложили, способ количественного анализа, антибиотикоустойчивого фитопатогенного грибав почве: Изобретение относится к фитопатологии, микробиологии и биотехнологии и может быть использовано для мониторинга за популяциями почвенных фитопатогенных грибов.
Известна селективнаяшитательная; среда для-количественного учета в почве пропагул гельминтоспориума; предложенная Л:К. Хацкевич и С.Д. Гришечкиной [312]! Эта среда включает в свой состав: рисовую муку в качестве источника углерода, ограничитель роста грибов тритон Х-100 и антибиотик стрептомицин для подавления бактерий. Для уничтожения большей; части, активно вегетирующей почвенной сапротрофной микрофлоры предусмотрена предварительная дезинфекция? почвенных образцов 96-м этиловым спиртом. На данной среде удается і избавиться от колоний других грибов, за исключением Alternaria sp. Способ позволяет достоверно определять визуально колонии В. sorokiniana на чашках без просмотра.под микроскопом- дает стабильныерезультатьгтобладает достаточной точностью для оценки уровня: зараженности пропагулами возбудителя корневой гнили дерново-подзолистых почв (аналог).
При всех своих достоинствах способ посева; почвенно-водных суспензий на селективную5 питательную среду с последующей регистрацией колоний исследуемого, объекта имеет существенные минусы. Во-первых, метод высева на питательную среду хотя w позволяет судить о численности микромицета, но мало пригоден для изучения ёго: жизненного цикла, во-вторых, колонии гриба-могут возникнуть как из одной пропагулы; так и из нескольких жизнеспособных пропагул, попавших в одну точку питательной среды при посеве. Нам неоднократно приходилось наблюдать под микроскопом частички почвы в толще питательной среды с прикрепившимися, к ним несколькими конидиями гриба. Скопления пропагул объекта в последующем формируют одну колонию. Число таких пропагул при визуальном учете колоний установить невозможно. В-третьих, возникает серьезное затруднение в том, что любая колония на агаровой среде может произойти от активной; гифы, или от покоящейся споры. Метод не дает представления о количестве мертвых, потерявших жизнеспособность мицелиальных структур в популяции гриба,.что лишает исследователя весьма ценной информации; В-четвертых, в случае неполного подавления роста сопутствующей микрофлоры, например грибов рода Alternaria: и других микромицетов, возможно их отрицательное воздействие на пропагулы учитываемого объекта. . Известен метод:. флотации для определениям количества конидий гельминтоспориума в почве,.предложенный Р.И; Лёдингамом и (2.F. Чинном1 [368]: (аналог). Флотационный метод имеет много недостатков;. Елавные. из; них — высокая трудоемкость (микроскопия большого- числа «грязных» капель флотационной суспензии? требует невероятного терпения и напряжения зрения, так как многочисленные почвенные частички маскируют конидии), низкая чувствительность и точность метода (особенно при использовании отечественных минеральных масел), метод флотации не позволяет оценить, уровень жизнеспособности выделенных: изпочвы конидий-: [219]- Попытки устранить. недостатки метода флотации пока? не дали, существенных результатов. Видные ученые: А.А. Бенкен и Л.К. Хацкевич предложили для . оценки жизнеспособности, конидий полученную, методом: флотации: масляную эмульсию смешивать с агаром Чапека и тонким слоем- разливать, по чашкам Петри. О жизнеспособности конидий судили по их прорастанию в агаре через 16- 20 часові [21]. Это» методическое решение проблемы, привлекло наше внимание, и мы решили использовать его вкачестве прототипа, днако выяснилось, что при смешивании питательной среды с: масляной: эмульсией в толще среды формируется масса масляных шариков и глобул различного размера которые экранируют конидии и мешают их обнаружению при микроскопии агарового слоя. К тому же масла (машинное, веретенное) оказывают токсическое действие на конидии и останавливают их прорастание. Известен метод иммунофлуоресцентного окрашивания объекта, позволяющий изучать грибы в естественной среде обитания в течение длительного времени и проследить за развитием, формированием и лизисом их мицелиальных структур [125,281,283] (аналог).
Этот способ также имеет ограниченное применение из-за необходимости работы с лабораторными животными в целях получения видоспецифичной сыворотки на грибы. К тому же отдельные структуры гриба трудно различимы из-за автофлуоресценции некоторых микроорганизмов и неспецифической адсорбции частицами почвы меченых флуорохромами антител. Таким образом, этот способ отличается значительной сложностью, малодоступен, и не всегда обладает высокой разрешающей способностью.
Более близким по техническому решению и достигаемому результату является способ изучения природных популяций грибов с применением их генетической маркировки [2, 125] (прототип). В качестве маркера используют устойчивость грибов к определенному антибиотику. Отбор спонтанных мутантов, устойчивых к антибиотику, осуществляют в ходе пересевов на обычной для микроорганизма питательной среде с последующим увеличением содержания антибиотика до такой концентрации, которая исключает рост других популяций.
Вместе с тем, в природном местообитании в процессе наблюдений за популяцией гриба могут регистрироваться другие микроорганизмы, способные к росту на используемой среде с антибиотиком. Многие антибиотики длительное время применяются- в сельском хозяйстве, что приводит к появлению антибиотикоустойчивых форм микроорганизмов. Такие микроорганизмы способны полностью подавить развитие на среде изучаемого объекта, так как многие из них обладают высокими радиальными скоростями роста колоний.
Концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зерновых культур
В Зауралье давно назрела необходимость перехода к экологически безопасной системе защиты растений, к системам земледелия, эффективно использующим природный биоэнергетический потенциал с минимальным отрицательным влиянием на окружающую среду. И об этом мы уже говорили.
Почему же до сих пор никто во всем Уральском регионе не сделал практических шагов в направлении экологизации защиты растений? Потому, что фактически до последнего времени над умами практиков и специалистов. довлела доктрина преимущественно техногенной интенсификации сельского хозяйства, с ее неадаптивными интенсивными технологиями, с ее интегрированной защитой растений, в которой всегда доминировал химический метод. Было время, когда в Курганскую область пестициды завозились целыми железнодорожными составами, обработки химсредствами защиты растений проводились на1 площади около одного миллиона гектаров. В 1980 году, например, пестицидная нагрузка на гектар сельхозугодий составляла 17 — 20 кг по действующему веществу. Широкое внедрение пестицидов считалось тогда высшим достижением современной культуры земледелия. Ученым и практикам в эпоху «химического рассвета» некогда, да и не за чем было задумываться над вопросами управления микробным сообществом, планирования фитосанитарных, агробиологических и технологически оптимальных параметров агроэкосистем с целью оздоровления почвы, семян, посевов без применения пестицидов или с минимальным уровнем их использования. Однако времена меняются, и сегодня мы пытаемся уйти от концепции техногенной интенсификации сельского хозяйства, заменив ее принципиально новой доктриной управления экологической устойчивостью агроэкосистем. В защите растений она получила свое выражение в концепции управления фитосанитарной обстановкой, в переходе к экосистемному направлению; которое предусматривает использование технологий, способствующих усилению стабилизирующего отбора в популяциях вредных видов и механизмов регуляции их численности. При этом методы и средства защиты растений должны быть нацелены на сохранение биоразнообразия агроценозов, сдерживание процессов адаптивной микроэволюции в популяциях фитопатогенов.
На практике благоприятная с позиций защиты растений биоценотическая обстановка должна поддерживаться сбалансированным по абиотическим компонентам севооборотом, иммунными сортами и агротехникой. Защитные мероприятия целесообразно проводить так, чтобы воздействовать на вредные объекты в местах их непосредственного взаимодействия с растениями — в агроценоконсорциях [105]. Система защиты растений должна строиться с учетом ключевых общеэкологических законов и правил: 1) правила экологической индивидуальности Л.Г. Раменского (1938); 2) экологических аксиом адаптирования Ч.Дарвина; 3) закона относительной независимости адаптации; 4) правила меры преобразования природных систем, запрещающего при их эксплуатации переходить границы, за которыми теряется их способность к самоорганизации и саморегуляции; 5) закона необходимого разнообразия, из которого следует, что монокультура сельскохозяйственных растений не обладает свойствами самоподдержания; 6) правила цепных реакций, утверждающего, что создание технологий, кардинально меняющих природные процессы, сопровождается возникновением цепных реакций, которые могут вызвать негативные последствия; 7) закона убывающей отдачи на капитальные вложения в экосистему - повышение удельного вложения энергии в агроэкосистему не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности; 8) закона «внутреннего динамического равновесия» Н.Ф. Реймерса (1994). Экосистемное направление в защите растений с одной стороны, сложность объекта управления — почва, растения и ассоциированная с ними микрофлора - с другой, диктуют необходимость системного подхода к построению модели управления агроценозом и сообществом микроорганизмов в нем.
Системный подход подразумевает: вычленение объекта управления и построение его модели; построение модели внешних неуправляемых факторов, разработку моделей управляющих воздействий; постановку задачи управления как оптимизационной; разработку методов оптимизации технологических решений.
В соответствии с этим нами разработана блочная концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зернового агроценоза. Отдельные блоки модели представляют собой- основные1 компоненты экосистемы и функциональные связи, отражающие количественную зависимость (рис. 11).
Блок «агробиоценоз» представляет собой модельный зернопаропропашной севооборот с 12,5% чистого пара, 67,5% зерновых культур, среди которых 50% составляет яровая пшеница. Урожайность зерновых культур- должна поддерживаться- на- стабильном уровне - 2,0 — 2,5 т/га. В этом- блоке могут присутствовать все три типа микробно-растительных ассоциаций (жестко детерминированная фитопатогенная, лабильная фитопатогенная и ассоциация здорового растения), либо преобладать какая-то из них.
Блок «почва» отражает фрагмент структурьг почвенного покрова, типичного для. лесостепи Восточного- Урала. Доминирующее положение в составе почвенных комбинаций, занимают черноземы выщелоченные, имеющие мощный пахотный слой (0-30 см), 5,0 - 5,5% гумуса.
Блок «климат» отражает основные агроклиматические показатели двух зон - лесостепи и колочной степи: лесостепь - ГТК = 1,0 - 1,3, сумма положительных температур 1900 - 2100С, среднегодовая сумма осадков -380 - 400 мм; колочная степь - ГТК = 0,8 — 1,0, сумма положительных температур 2100 - 2200С, за теплый период выпадает до 200 мм осадков:
Блок «управляющие воздействия» предусматривает ключевые подходы к управлению консортными и биоценотическими связями в микробно-растительных ассоциациях зернового агробиоценоза.
Приемы управления ассоциативной микрофлорой зерна и колоса хлебных злаков
Исследованиями профессора А.П. Голощапова [64] зависимость между ГТК и развитием корневой гнили доказана при коэффициенте корреляции г = -0,92 ± 0,1 и выражена уравнением регрессии: у = 28,2 - 8,32х, где х — значение ГТК. Им установлено, что при ГТК менее 0,5 отмечается сильное развитие корневой гнили в пределах 22 — 28%, и наоборот, когда ГТК превышает 1,0, развитие корневой гнили слабое. Это связано с типом питания возбудителя, приуроченности его к ослабленным тканям, растения. Ослабление растений наблюдается в нашем регионеиз-за недостатка влаги-и резкого повышения температуры воздуха.
Мониторинговые исследования видового состава микромицетов — возбудителей заболеваний семян яровой пшеницы в зависимости от условий выращивания. были-1 проведены нами на семенах, полученных из различных районов Курганской области (Белозерского, Куртамышского, Целинного, Альменевского и др:). В исследованиях использовались различные сорта яровой пшеницы: из группы раннеспелых — Омская 26, Тулунская 12; из группы среднеспелых - Лютесценс 70, Новосибирская 89, Жигулевская, Терция; из группы среднепоздних - Омская 18. Наблюдения проводили методом рулонов и методом размещения семян на поверхность плотных агаризованных питательных сред.
Результаты исследований показали, что для семян всех сортов было характерно поражение «черный зародыш», причем преобладающим возбудителем являлись грибы p. Alternaria sp. Отмечено, что в годы с повышенной влажностью (частые дожди в период вегетации и уборки) процент альтернариозных семян возрастает. Уровень пораженности семян яровой пшеницы сорта Жигулевская в разных районах Курганской области представлен в табл. 24.
Наряду, с грибами p. Alternaria sp. на семенах различных сортов пшеницы выявлены такие виды, как Bipolaris sorokmiana, Fusarium culmorum, F. graminearum в комплексе с которыми встречаются Cladosporium sp., Penicillium sp., Aspergillus sp. и др. Таким образом, при исследовании видового спектра возбудителей семян пшеницы на разных сортах и в различных условиях выращивания доказано, что на первом месте стоит альтернариозная инфекция, значительно слабее представлены биполярис и виды фузариумов.
Заражение семян Bipolaris sorokiniana поверхностное, но бывает и глубокое. К поверхностной форме инфекции мы относили случаи, когда семена прорастают нормально, дают росток и три здоровых корешка, и только к концу проращивания на оболочке зерновки появляется черный конидиальный налет гельминтоспориума. Эта формаї поражения обусловливается поверхностным залеганием грибницы в оболочках зерновки и обычно не влияет на всхожесть семян. Но в дальнейшем может произойти замедление роста растения и появление темно-бурой пятнистости на листьях. К форме глубокого поражения семян относили явления ненормального прорастания семян, когда у прорастающих зерновок развивался только росток и совсем не формировались корешки; вместо обычных 3—4 корешков выходили 1 — 2 недоразвитых; росток и корешки загнивали в самом начале прорастания.
Вредоносность черного зародыша на отдельных сортах может быть достаточно высокой. Проведенные исследования показали, что структура патогенных комплексов, встречающихся на семенах зерновых культур неодинакова, их состав и наличие отдельных компонентов постоянно меняются вследствие изменения сортового состава растений-хозяев, технологий возделывания, а также почвенно-климатических условий:
Наиболее проблемным объектом для управления среди фитопатогенной микофлоры колоса и зерна культурных злаков являетсяі пыльная головня, на втором месте - Bipolaris sorokiniana и возбудители фузариоза.
В концептуальной модели управления фитосанитарным состоянием зерновых агроценозов в отношении этих фитопатогенов предусмотрены такие управляющие воздействия, как использование устойчивых сортов, протравливание семян. Кроме того, для управления возбудителями семенных инфекций определенное значение имеют севооборот, создание фонда здоровых семян, минеральные удобрения.
Остановимся более подробно на пыльной, головне. Наиболее эффективным в борьбе с головневыми болезнями приемом традиционно считается протравливание семян. Однако пестициды сокращают невысокое видовое разнообразие агроценозов, причем в первую очередь элиминируются полезные виды. Биометод же в борьбе с головневыми болезнями совершенно беспомощен -доказательством тому служат многочисленные отрицательные результаты экспериментов с биопрепаратами, проведенные в различных регионах России [297, 299]. Возможно ли в дополнение к протравливанию семян использование каких-либо приемов в борьбе с головневыми болезнями?
Результаты нашей работы (работа проведена совместно с начальником Белозерского отдела филиала ФГУ «Россельхозцентр» по Курганской области В.В. Богдановой) по предотвращению развития пыльной головни на зерновых культурах в северной зоне Курганской области за счет апробации посевов, оперативной сортосмены и сортообновления доказывают такую возможность.
Обследование посевов проводили методом апробации, сопровождая наблюдениями за болезнью, больными растениями, а также условиями их развития. Для определения фитосанитарного состояния семян и изучения особенностей взаимодействия- возбудителя головни с тканями питающего растения применяли анатомический метод, который» основан на детальном микроскопическом исследовании локализации возбудителя в тканях зародыша. Степень и характер поражения тканей зародышевой почечки и корешков устанавливали методом дифференцированной окраски мицелия пыльной-головни по В. И. Кривченко [141]. Исследования-проводили с. 2002 по 2008- г.г. на территории Белозерского района Курганской области. При апробации посевовруководствовались Федеральным законом «О семеноводстве» 1997 года, инструкцией по апробации сортовых посевов, положением № 859 от 8 декабря. 1999 года и другой необходимой документацией.
