Фізіологія симбіозу систем Bradyrhizobium sp. (Lupinus) – Lupinus L.: алелопатичний аналіз

Рис. 4. Вміст флавоноїдів у листках сортів люпину білого залежно від передпосівної інокуляції насіння штамами бульбочкових бактерій.

Для визначення ефективності бобово-ризобіального симбіозу використовують показники кількості і маси бульбочок на коренях та величину нітрогеназної активності (Коць і ін., 2001). Інтегральним критерієм оцінки ефективності бобово-ризобіального симбіозу може слугувати також сумарний вміст флавоноїдів у листках. Нами запропоновано коефіцієнт ефективності бобово-ризобіального симбіозу F=A/B, де A - кількість флавоноїдів у листках рослин, насіння яких піддавали передпосівній інокуляції, B - кількість флавоноїдів у листках рослин, насіння яких не піддавали інокуляції (табл. 4). Якщо величина F<1, то передпосівна інокуляція насіння сорту певним штамом бульбочкових бактерій неефективна, якщо F>1, то ефективна.

У листках люпину жовтого, крім описаного в літературі (Мироненко, 1965) флавонового глікозиду рутину, нами ідентифіковано аглікон кверцетин (сорт Промінь) і кверцетин-3-рутинозид (Обрій, Мотив-369). Листки алкалоїдної форми люпину білого, крім кверцетин-3-рутинозиду, який характерний для вищезгаданих сортів, містять кверцетин.

Інокуляція насіння на якісний склад флавоноїдів у листках люпину білого сорту Синій парус не впливала. У них виявлено кверцетин-3-рутинозид. Бактеризація насіння люпину жовтого сорту Борсельфа штамами 3а, 4а і 5а сприяла накопиченню в листках, крім рутину, кверцетин-3-рутинозиду.

Післяжнивні рештки люпину та їх алелопатичні властивості. Алелопатична активність водорозчинних ексудатів післяжнивних решток була нижчою, порівняно з листками. Надземна частина решток люпину білого сорту Піщовий також відзначалася вищою алелопатичною активністю, порівняно з коренями. Вміст гальмувачів у водних витяжках з надземних частин становив 38,2 (367а) - 60,8% (4а) за розведення 1:10, тоді як у екстрактах із коренів відповідно - 25,9 (5а) - 54,2% (2а). У процесі вегетації рослин найактивнішими у симбіозі з сортом Піщовий виявилися бульбочкові бактерії штамів 1а та 5а, що помітно не вплинуло на алелопатичну активність їх післяжнивних решток. Найнижчу активність проявляли водні витяжки з решток рослин, інокульованих стандартним штамом бульбочкових бактерій (367а) за розведення 1:10, а при зниженні концентрації у 10 разів спостерігалась незначна стимуляція ростових процесів корінців пшениці.

Таблиця 4

Величина коефіцієнта F для визначення ефективності бобово-ризобіального симбіозу сортів люпину на фоні інокуляції штамами бульбочкових бактерій

Динаміка алелопатичної активністі ґрунту при вирощуванні люпину.

Алелопатична активність водних екстрактів ризосферного ґрунту люпину нижча, ніж активність самої рослини. Чутливішою до дії біологічно активних речовин ґрунту виявилась гречка, менш чутливим - амарант. В онтогенезі рослин алелопатична активність ґрунту знижувалася (біотест - гречка). Після вирощування люпину в ґрунті накопичувалися речовини, що стимулювали ріст корінців крес-салату на 11,7 - 28,6%. Вміст ФС у ґрунті ділянки пару був вищим, ніж після вирощування люпину, крім сорту Піщовий. Найменше ФС (на 44,2%, порівняно з паром) виявлено у ґрунті після збирання врожаю сорту Синій парус.

У ґрунті під люпином (табл. 5) ідентифіковано ферулову (трас- форма), ферулову (цис-форма), серінгову, ванілінову, п-оксибензойну, пара-кумарову (транс- форма), п-кумарову (цис- форма), м-кумарову і о-кумарову кислоти. У контрольному зразку не виявлено м-кумарової кислоти.

Зафіксовані відмінності у кількісному складі зумовлені видовими особливостями рослин та видовою різноманітністю мікроорганізмів, що формуються у ризосфері.

На сумарну кількість і якісний склад амінокислот у ґрунті впливали сортові та видові особливості люпину (табл. 6).

Таблиця 5

Вміст ФКК у ризосферному ґрунті після вирощування люпину, мг/кг ґрунту

Примітка: *1 - Олежка; 2 - Синій парус; 3 - Піщовий; 4 - алкалоїдна форма; 5- Промінь; 6 - Мотив 369; 7 - Борсельфа; 8 - Бурштин; - не виявлено.

Таблиця 6

Вплив сортів люпину на вміст амінокислот у ґрунті після збирання врожаю

Примітка: - не виявлено.

КОРЕНЕВІ ВИДІЛЕННЯ L. ALBUS І L. LUTEUS ЯК ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКТОР ФОРМУВАННЯ БОБОВО-РИЗОБІАЛЬНОЇ СИСТЕМИ

Видова і сортова специфічність видільної активності коренів люпину.

Проростки сортів люпину жовтого і люпину білого, вирощеного на фоні спонтанної інокуляції, відзначалися різною видільною спроможністю.

Вплив інокуляції насіння бульбочковими бактеріями на інтенсивність ексудації кореневих виділень люпину. Показано залежність між активністю виділення екзометаболітів коренями проростків люпину білого та активністю штамів Bradyrhizobium sp. (Lupinus). Порівняно з контролем, під впливом інокуляції насіння бульбочковими бактеріями інтенсивність ексудації речовин коренями змінювалася. Обробка насіння штамом 1а збільшувала видільну активність коренів алкалоїдної форми до 4-ї доби і протягом 4-6 діб істотно не змінювалася. Порівняно з контролем, величина оптичної густини ексудатів була нижчою в 1,2 (1-ша доба) - 1,6 (3-тя доба) рази (л=240 нм). Корені проростків, що виросли з насіння, обробленого штамом 2а, виділяли однакову кількість речовин, тільки на 2-у і 6-ту добу зафіксовано незначне зменшення кількості виділень. Оптична густина їх ексудатів з 2-гої по 6-ту добу була нижчою, порівняно з контролем в 1,1 (2-га доба) - 1,8 (6-та доба) рази. Лише в першу добу оптична густина виділень коренів проростків люпину даного варіанта була на 0,038 одиниць більшою від контролю. Бульбочкові бактерії штаму 3а збільшували ексудацію речовин коренями з віком, але на 5-ту добу зафіксовано незначне її зменшення. Під впливом штаму 4а видільна здатність коренів зменшувалася на 3-тю добу, а бактеризація насіння штамом 367а підвищувала активність виділення коренями речовин до 3-ї доби, на 4-ту зафіксовано незначне зниження і на 5-ту добу спостерігалося її підвищення. Вплив штаму бульбочкових бактерій 5а можна зобразити у вигляді кривої з 2-ма спадами на фоні загального зростання. Отже, видільна активність коренів люпину є видо- і сортоспецифічною й залежить від штамових особливостей бульбочкових бактерій, що використовувалися для інокуляції насіння.

Алелопатична активність кореневих виділень люпину. Відмінності у кількісному вмісті речовин кореневих виділень сортів люпину зумовлюють їх різну алелопатичну активність. Найвищою алелопатичною активністю відзначалися ексудати алкалоїдної форми і сорту Промінь (рис. 5). Вміст гальмувачів у водних екстрактах становив 10-50%. Вони впливали на формування бобово-ризобіального симбіозу і у фазі листкової розетки. У вищезгаданих сортів зафіксована низька азотфіксуюча активність.

Кореневі виділення люпину жовтого сорту Мотив-369 (рис. 6), навпаки, проявляли стимулюючий вплив на ріст корінців біотестів, що, відповідно, позначилося на активності симбіотичних систем у фазі листкової розетки.

Для підтвердження попередніх висновків нами розраховано коефіцієнт кореляції між показниками оптичної густини ексудатів і довжиною корінців біотесту, що зростав на них (табл. 7). Виявлено обернену і пряму слабку, середню та сильну кореляційні залежності. Таким чином, на величину коефіцієнта кореляції впливають сортові особливості рослин та штамові особливості бульбочкових бактерій, що використовували для інокуляції.

Рис. 5. Вміст гальмувачів у кореневих виділеннях люпину жовтого сорту Промінь.

Рис.6 . Вміст гальмувачів у кореневих виділеннях люпину жовтого сорту Мотив-369.

Таблиця 7

Коефіцієнт кореляції (r) між показниками оптичної густини (при л =240 нм) кореневих виділень люпину білого і довжиною корінців біотесту

Примітка: * - обернена слабка кореляційна залежність; ** - пряма слабка; ґ - обернена середня; ґґ - пряма середня; є - обернена сильна; єє - пряма сильна.

Вплив кореневих виділень люпину на ризоценоз. Представником агрономічно корисних мікроорганізмів є азотобактер. Ризосферний ґрунт сортів L. albus у фазі цвітіння більше обростав азотобактером, ніж ґрунт сортів L. luteus. Очевидно, видові особливості люпину, що характеризують азотфіксуючу активність бобово-ризобіального симбіозу і видільну активність коренів, впливали на розвиток популяції азотобактера.

На початку вересня 1999 р. у фазі достигання бобів спостерігалося стовідсоткове обростання грудочок ризосферного ґрунту у сортів Піщовий, Мотив-369, Промінь, Бурштин і алкалоїдної форми. Після збирання врожаю люпину (жовтень) виявлено аналогічну закономірність, як і у фазі цвітіння. При вирощуванні люпину на фоні інокуляції інтродукованими штамами бульбочкових бактерій чисельність популяції азотобактера залежала від штамових особливостей брадіризобій, видових та сортових особливостей рослин.

Вивчення співвідношення основних груп мікроорганізмів (грибів, стрептоміцет, споро- та неспороутворюючих бактерій) ризосфери сортів люпину білого і люпину жовтого на фоні спонтанної й штучної інокуляції та в ґрунті парової ділянки, яка не зазнавала алелопатичного впливу рослин (контроль), показало, що у фазі цвітіння чисельність неспорових бактерій більша в 1,7 (Мотив-369) - 3,5 (Бурштин) раза, ніж у ґрунті контролю. Протягом вегетації люпину кількість неспорових бактерій зменшувалася, що пов'язано із зниженням вмісту органічних речовин, які потрапляють до ґрунту у складі екзометаболітів рослин. Після збирання врожаю в умовах лізису бульбочок кількість речовин у ґрунті зростала, що сприяло зростанню чисельності неспорових бактерій.

Чисельність бацил залежала від виду, сорту, фази розвитку рослин та сезонних умов. Відмічено високий їх рівень у ґрунті дослідних варіантів і контролі. Найбільша кількість бацил у фазі цвітіння виявлена у ризосфері сорту Олежка - 95,1 тис/г сухого ґрунту. Серед сортів люпину жовтого за цим показником відрізнялись Промінь і Бурштин. У прикореневій зоні алкалоїдної форми люпину білого визначено найменше бацил. Можливо, у складі її екзометаболітів наявні речовини, що виступали антагоністами спороутворюючих бактерій. У фазі зеленого бобу чисельність бацил у ризосфері ґрунту дослідних варіантів, порівняно з фазою цвітіння, була нижчою, крім сорту Мотив-369. Це зумовлено якісним і кількісним складом екзометаболітів та вмістом вологи у ґрунті.

Встановлено, що у фазі цвітіння найбільшу кількість стрептоміцет виявлено у ділянці пару, що в 1,5 (Мотив-369 і Бурштин) - 6,7 (алкалоїдна форма) раза вище, порівняно з варіантами досліду. Сорти люпину білого містили у ризосфері однакову кількість стрептоміцет, а у ризосфері люпину жовтого - найменше у сорту Борсельфа, у 2,4 рази вище, порівняно з Борсельфою, у сорту Промінь та у 4,4 раза вище у сортів Мотив-369 і Бурштин. Це свідчить про незначну участь мікроорганізмів з широким спектром гідролітичних ферментів у деструкції алелопатичних речовин, які виділяються сортами L. albus і L. luteus. Практично не виявлено стрептоміцет у ризосфері сортів Борсельфа, Промінь та Олежка у фазі зеленого бобу. На 152,7 тис/г сухого ґрунту їх менше знаходилося у ризосфері сорту Мотив-369. Однак у ризосфері Синього парусу і Піщового (сорти люпину білого) кількість стрептоміцет, порівняно з попередньою фазою, зростала у 2,1 раза. У фазі цвітіння у ризосфері сорту Бурштин люпину жовтого і алкалоїдної форми люпину білого виявлено у 2 рази більшу кількість мікроміцет, порівняно з ділянкою пару. Всі інші досліджувані сорти люпину білого за цим показником відрізнялися від контролю на 2,5-3,2 тис/г сухого ґрунту. У ризосфері сортів Борсельфа і Мотив-369 кількість мікроскопічних грибів була на 3,7-10,0 тис/г сухого ґрунту меншою порівняно з паром. У фазі зеленого бобу кількість грибів у ризосфері вищезгаданих сортів зростала, порівняно з фазою цвітіння.

Найбільшу кількість грибів у перерахунку на 1 г абсолютно сухого ґрунту виявлено в ризосфері люпину жовтого сортів Обрій, Промінь, Мотив-369 (на середовищі Чапека) і Борсельфа (на середовищі СА). Дещо менше їх зосереджено в ризосфері люпину білого. Це пов'язано з кількісним і якісним складом кореневих виділень генетично різних сортів люпину, оскільки агротехніка їх вирощування у всіх варіантах досліду була однаковою.

АЛЕЛОПАТИЧНА ВЗАЄМОДІЯ ЛЮПИНУ ТА ПРЕДСТАВНИКІВ РОДИН БОБОВІ (FABACEAE), ЗЛАКОВІ (POACEAE) І АЙСТРОВІ (ASTERACEAE)

Ріст та накопичення пігментів у листках акцепторних рослин. Кореневі виділення люпину жовтого сорту Борсельфа по-різному впливали на ростові процеси акцепторних рослин і на алелопатичну активність кореневих ексудатів. Проростки люпину, які слугували донором колінів, вирощували на перліті протягом 14 діб. Лабораторні експерименти проводили восени і навесні. Засвідчено, що весною ростові процеси як у рослин-донорів, так і в рослин-акцепторів проходили інтенсивніше, але кореневі виділення люпину проявляли практично однакову дію. Водночас ексудати люпину підсилювали ростові процеси у жита посівного. Висота рослин у дослідному варіанті в 1,3 (весна) - 1,6 (осінь) рази, сира маса пагонів в 1,3 (весна) - 2,2 (осінь) рази були вищі, ніж у контрольному. За довжиною кореневої системи проростки жита, що росли під впливом виділень люпину, істотно не відрізнялися від особин контрольного варіанта, однак їх сира маса була вищою на 18,0 (осінь) - 27,0 мг (весна). На висоту пагона і довжину кореневої системи ячменю дворядного кореневі виділення люпину істотно не впливали.

Дослідження впливу кореневих ексудатів проростків люпину на бобові рослини показало істотну гальмівну дію виділень люпину на ріст і розвиток сої культурної. Зокрема, помітніші відмінності у біометричних показниках контрольних варіантів зафіксовано восени, ніж навесні. Так, висота контрольних рослин в 3,2 (осінь) - 1,2 (весна) раза; довжина кореневої системи відповідно в 1,3 (осінь) і 1,1 (весна); сира маса надземної частини - в 1,6 й 1,1, підземної - в 1,4 та 1,1 раза були вищими, порівняно з дослідними.

Кореневі виділення люпину жовтого сорту Борсельфа індиферентно впливали на ріст люпину жовтого сорту Промінь і люпину білого сортів Піщовий та Олежка. Стає очевидним, що після люпину жовтого сорту Борсельфа у сівозміну недоцільно вводити сою культурну, люпин жовтий і люпин білий.

Результати досліджень показали істотні відмінності у вмісті зелених та жовтих пігментів у листках рослин-акцепторів. Кількість хлорофілів а, b та каротиноїдів була у контрольних варіантах вищою у 1,4 рази, ніж у дослідних. Лише у люпину жовтого сорту Промінь і сої культурної вміст хлорофілів а й b був нижчий у контрольному варіанті відповідно на 33,0 та 34,3.6; 18,91 та 17,75 мг/100 г сирої маси. Біометричні показники проростків жита посівного, пшениці м'якої, вівса посівного, кукурудзи звичайної, які перебували під дією проростків люпину, були вищі, ніж у контролі. Таким чином, люпин стимулює ріст і розвиток злакових культур і може ефективно використовуватися як попередник у сівозміні.

Алелопатична активність кореневих виділень рослин-донорів та рослин-акцепторів. Вивчення взаємодії рослин у сумісних посівах сприяє розкриттю закономірностей формування фітоценозів, створенню високопродуктивних посівів сільськогосподарських культур (Бабич, 1971). Книга (1971) рекомендує так підбирати пари, щоб максимум виділення поживних речовин однією культурою відповідав максимуму поглинання іншою.

Кореневі екзометаболіти люпину підвищували алелопатичну активність виділень рослин-акцепторів у загальному на 3-тю і 5-ту добу. Проте, виділення проростків жита посівного та сої культурної виявилися алелопатично активними ще й на 14-у добу. Таким чином, можна стверджувати, що в даному випадку спостерігалося підвищення алелопатичної активності, яке виникає при взаємодії рослин-донорів і рослин-акцепторів. На 7-му та 9-ту добу алелопатична активність виділень акцепторних рослин під впливом ексудатів люпину жовтого сорту Борсельфа знижувалася (антагонізм).

Найбільш алелопатично активними були суміші ексудатів люпину і жита посівного, люпину й сої культурної, люпину жовтого сорту Борсельфа та люпину білого сорту Піщовий. Вони посилювали інгібування корінців пшениці м'якої відповідно на 18,8-20,5, 20,5-38,3 і 14,6-24,9%. Суміші виділень люпину жовтого сортів Борсельфа та Промінь, люпину і кукурудзи звичайної стимулювали ріст корінців тест-об'єкта відповідно на 9, 1- 17,4%.

Корені та колеоптилі біотесту порівняно однаково реагували на фізіологічну взаємодію кореневих виділень рослин-донорів та рослин-акцепторів. Як правило, стимуляція чи інгібування росту корінців супроводжувалися адекватними процесами для колеоптилів. Помітна різниця спостерігалася лише у дії колінів ячменю дворядного та кукурудзи звичайної на ріст корінців і колеоптилів пшениці.

Таким чином, фізіологічна взаємодія кореневих виділень проростків люпину жовтого сорту Борсельфа, гречки їстівної, кукурудзи звичайної, ячменю дворядного, жита посівного, сої культурної, люпину жовтого сорту Промінь, люпину білого сортів Піщовий і Олежка супроводжувалася посиленням алелопатичної активності й антагонізмом, причому залежала від видових особливостей рослин-донорів, рослин-акцепторів та їх віку.

Результати дослідження алелопатичної взаємодії між кореневими ексудатами проростків люпину жовтого сортів Мотив-369, Промінь, Обрій, Борсельфа, Бурштин і пшениці м'якої показали, що вона супроводжувалася явищами антагонізму. Загалом, виділення вищевказаних сортів люпину знижували алелопатичну активність суміші екзометаболітів. Отже, кореневі екзометаболіти проростків люпину жовтого сортів Мотив-369, Промінь, Обрій, Борсельфа й Бурштин не впливали на ростові процеси пшениці м'якої як біотесту.

Алелопатична взаємодія видів роду Tagetes L. і Lupinus L. Фізіологічна взаємодія кореневих виділень проростків Tagetes erecta, T. patula, T. signata та Lupinus albus L., L. luteus L. супроводжувалася явищами посилення дії та антагонізму й залежала від видових осбливостей рослин-донорів і рослин-акцепторів, а також від їх віку. Так, під дією кореневих екзометаболітів проростків усіх трьох видів Tagetes спостерігалося підвищення алелопатичної активності кореневих виділень проростків люпину білого, порівняно з приростом корінців біотесту, вирощеного на дистильованій воді .

Кореневі ексудати Т. erecta стимулювали ріст люпину жовтого, а Т. patula негативно впливали на ростові процеси люпину білого.

РОЛЬ БІОЛОГІЧНОГО АЗОТУ В ПІДВИЩЕННІ ЗЕРНОВОЇ ПРОДУКТИВНОСТІ ЛЮПИНУ

Вплив інокуляції насіння різними за активністю штамами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) на продуктивність люпину. Інтродуковані штами бульбочкових бактерій утворили з люпином білим сорту Олежка бобово-ризобіальні комплекси, які протягом вегетації відзначалися різною активністю. Активна фіксація молекулярного азоту бульбочками поліпшувала азотне живлення рослин, впливала на ріст стебла і листків, накопичення пігментів та врожайність люпину (табл. 8).

Найбільше бобів зафіксовано нами на рослинах, інокульованих штамами 1а і 4а, дещо менше - у варіантах 3а та 5а. За кількістю насінин у бобі домінували особини варіантів 1а та 5а. Достовірний приріст врожаю отримано з люпину, інокульованого Bradyrhizobium sp. (Lupinus) штамами 1а та 5а.

Люпин білий сорту Синій парус у ґрунтово-кліматичних умовах Західного Лісостепу України протягом вегетації утворював найактивніший симбіотичний апарат з бульбочковим бактеріями стандартного штаму 367а, що, відповідно, і позначилося на насіннєвій продуктивності. Порівняно із сортом Олежка, у рослин Синього парусу кількість бобів на рослині була на 3-4 більшою (в середньому 10-14). Боби були менш озернені, але насіння крупніше, що, очевидно, впливало на масу 1000 насінин і врожайність, яка на 2,2 ц/га була вищою, порівняно з сортом Олежка. Достовірний приріст врожаю насіння отримано із рослин, що виросли на фоні інокуляції стандартним штамом Bradyrhizobium sp. (Lupinus).

Передпосівна інокуляція сорту Піщовий позитивно впливала на показник маси насіння з однієї рослини. Інтродуковані штами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) сприяли зростанню маси 1000 насінин, а бульбочкові бактерії штаму 3а -озерненню бобів. Поліпшені умови азотного живлення інокульованих рослин внаслідок активного функціонування люпино-ризобієвих комплексів протягом вегетації сприяли зростанню зернової продуктивності. Достовірний приріст врожаю отримано у варіантах 1а, 3а, 4а та 5а.

На стеблі алкалоїдної форми рослин, інокульованих штамами 1а, 2а та 4а, утворювалося 8-9 бобів. Найозерненішими були боби рослин варіанта 5а, а достовірний приріст кількості насіння отримано з рослин, інокульованих штамами 367а, 1а, 4а та 5а, що на 15,31-41,77% більше, порівняно з контролем.

Серед сортів люпину жовтого сорти Обрій і Бурштин відзначалися вищою насіннєвою продуктивністю, порівняно з сортами Мотив-369 та Борсельфа (табл. 9).

Таблиця 8

Зернова продуктивність люпину білого при інокуляції насіння штамами бульбочкових бактерій (1998-2000 рр.)

Примітка:* - відмінність, порівняно з контролем, вірогідна, p<0,05

Очевидно, це пов'язано з величиною як загальної, так і питомої АФА. У процесі вегетації АФА у деяких варіантах сортів Обрій і Бурштин була вищою в 10-20 разів, порівняно з сортами Мотив-369 та Борсельфа. Всі інтродуковані штами бульбочкових бактерій сприяли зростанню насіннєвої продуктивності сорту Мотив-369, але достовірний приріст врожаю отримано у варіантах 367а, 3а та 4а, що на 23,09-34,95% більше, порівняно з контролем. Істотні відмінності у прирості врожаю зерна люпину жовтого сорту Борсельфа виявлено в рослин варіантів 1а, 4а і 5а, для сорту Обрій - 1а, 2а та 5а, що на 27,9-34,9% більше, порівняно з контролем. Отже, на насіннєву продуктивність люпину впливають сортові особливості та алелопатичні властивості рослин, накопичення хлорофілів й каротиноїдів у листках і активність бобово-ризобіального комплексу в конкретних ґрунтово-кліматичних умовах.

Таблиця 9

Вплив бульбочкових бактерій на зернову продуктивність люпину жовтого при інокуляції насіння різними штамами бульбочкових бактерій (1998-2000 рр.)

Примітка: * - вірогідна різниця з контролем.

Хімічний склад зерна сортів люпину за інокуляції Bradyrhizobium sp. (Lupinus). Інокуляція насіння сортів люпину білого інтродукованими штамами бульбочкових бактерій не завжди збільшувала вміст сирого протеїну. Протягом періоду дослідження відсоток сирого протеїну в зерні сорту Олежка у межах варіанта коливався від 1,6% (К) до 3,5 (3а). Аналогічна закономірність спостерігалася для сорту Синій парус. В окремі роки (1998 - 1а, 3а, 5а; 1999 - 1а, 2а, 3а, 4а, 5а) бактеризація насіння штамами бульбочкових бактерій підвищувала вміст сирого протеїну в зерні на 0,7-1,8%. Але в середньому його приріст був у межах похибки. Вміст сирого протеїну в зерні люпину білого сорту Піщовий був нижчим, порівняно з сортами Олежка і Синій парус на 2,3-4,0%. Але, на відміну від попередніх, в середньому зафіксовано достовірний приріст у варіантах 2а та 5а. Показано стимулюючий вплив інокуляції на накопичення сирого протеїну в зерні алкалоїдної форми. Всі штами бульбочкових бактерій сприяли зростанню його вмісту на 0,8% (367а) - 2,1 (2а) Бактеризація насіння люпину жовтого культурами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) істотніше впливала на накопичення сирого протеїну у зерні, порівняно з люпином білим. Достовірний приріст за цим показником виявлено в сортів Мотив-369 за інокуляції бактеріями штамів 367а, 4а та 5а, Борсельфа - 5а.

Дослідженнями (темно-сірий опідзолений ґрунт, 1995-2000 рр.) підтверджено, що в зерні люпину сортів Олежка і Мотив-369, які вирощувалися на фоні спонтанної інокуляції, вміст сирого протеїну був нижчим на 5,5 та 6,8%, порівняно з аналогічними рослинами (чорнозем опідзолений). Стандартний штам бульбочкових бактерій 1610 сприяв зростанню вмісту протеїну на 1,1 (Мотив-369) - 1,6% (Олежка). Бульбочкові бактерії Саф. 1, Саф. 2 і Саф. 3, порівняно із стандартним штамом, виявилися ефективнішими. Так, Саф. 2 забезпечив приріст сирого протеїну у зерні сорту Олежка на 3,5% більше від контролю і на 1,9% більше від стандартного штаму 1610. Передпосівна інокуляція люпину жовтого сорту Мотив-369 бульбочковими бактеріями штаму Саф. 1 інтенсифікувала накопичення протеїну, причому його вміст у зерні зріс на 4,3 і 3,1%, порівняно з контролем та штамом 1610.

Сорти люпину білого накопичували олії в зерні в середньому від 10,03 до 14,71% на абсолютно суху речовину, а люпину жовтого - 7,79-11,38%. Достовірного впливу інокуляції на вміст олії у зерні не встановлено. Бактеризація насіння люпину білого сприяла зростанню клітковини в межах похибки (крім варіантів 1а і 5а сорту Піщовий). Її вміст складав 11,29-17,68% на абсолютно суху речовину. Слід відмітити зростання вмісту клітковини в насінні сорту Борсельфа на фоні інокуляції штамами 367а та 2а.

На накопичення зольних елементів у зерні люпину впливали видові особливості рослин та ґрунтово-кліматичні умови вирощування. Сорти люпину жовтого відзначалися вищим вмістом золи, сполук фосфору і калію, порівняно з сортами люпину білого. Передпосівна інокуляція насіння культурами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) на дані показники істотно не впливала. Бактерії штаму Саф. 3 вірогідно підвищували вміст фосфору у зерні інокульованого люпину білого сорту Олежка, а штами 1610, Саф. 1 та Саф. 3 - люпину жовтого сорту Мотив-369 . На вміст кальцію і магнію у зерні люпину білого й жовтого передпосівна інокуляція насіння не впливала. Можливо, рівень вмісту макроелементів у зерні закладений генетично і дані показники є консервативними за умов експерименту.

Економічна і енергетична ефективність використання Bradyrhizobium sp. (Lupinus) для інокуляції люпину. Аналіз економічної ефективності використання передпосівної інокуляції насіння сортів люпину білого і жовтого активними штамами Bradyrhizobium sp. (Lupinus), у порівнянні з контрольним варіантом (без інокуляції), показав, що собівартість виробництва продукції знижується на 3,87-9,93 й 8,08-20,1 грн./ц, зростає прибуток від реалізації зерна на 452-829 та 260-404 грн./га. При цьому підвищується рентабельність виробництва на 48-94 і 29-53%, а коефіцієнт енергетичної ефективності перевищує варіант без інокуляції на 7,2-17,2 та 11,8-23,3%.

УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

У результаті проведених досліджень зроблено відповідні підсумки. На основі опрацьованої наукової літератури і власних експериментальних даних нами запропоновано узагальнюючу схему, на якій визначено і експериментально обґрунтовано показники, що характеризують симбіотичну та алелопатичну активність системи Bradyrhizobium sp. (Lupinus) - Lupinus L. (рис. 7). Виділено абіотичні та біотичні фактори, що впливають на її формування і функціонування.

Рис. 7. Фактори, що впливають на формування і функціонування симбіотичної системи: бульбочкові бактерії люпину - люпин.

ВИСНОВКИ

Комплексні дослідження фізіологічних і алелопатичних властивостей макропартнерів дозволили теоретично узагальнити й по-новому вирішити наукову проблему, що виявляється в посиленні активності процесу симбіотичної фіксації атмосферного азоту за рахунок селекціонованих штамів бульбочкових бактерій та їх природних рас у зернобобових культур люпину білого і жовтого. Формування і функціонування симбіотичних систем Bradyrhizobium sp. (Lupinus) - Lupinus L. залежить від комплексу біотичних, абіотичних та алелопатичних чинників.

1. Накопиченню пігментів у листках, підвищенню азотфіксуючого потенціалу і продуктивності рослин люпину білого на 4,1-38,5%, жовтого - на 4,4-38,7% та покращенню якості їх врожаю сприяють нові високоефективні штами Bradyrhizobium sp. (Lupinus), отримані методом аналітичної селекції.

2. Встановлено сортову специфічність люпину білого і люпину жовтого до штамів Bradyrhizobium sp. (Lupinus). Для ґрунтово-кліматичних умов Західного Лісостепу України підібрано комплементарні пари макро- і мікросимбіонтів: люпин білий сортів Олежка - штами 1а, 5а; Синій парус - 367а; Піщовий - 3а, 5а; алкалоїдна форма - 5а; люпин жовтий сортів Мотив-369 - штам 4а; Промінь - 2а, 1а; Обрій - 1а; Борсельфа - 4а; Бурштин - 1а, 3а.

3. Виявлено закономірності накопичення хлорофілів і каротиноїдів у листках, їх залежність від фази росту й розвитку, видових та сортових особливостей рослин та активності симбіотичного апарату люпину. Між накопиченням пігментів у листках і нітрогеназною активністю Bradyrhizobium sp. (Lupinus) встановлено пряму залежність. В онтогенезі люпину білого і жовтого показники співвідношення хлорофіли:каротиноїди зростають від фази листкової розетки до фази сизого бобу, а хлорофіл а:хлорофіл b - до фази цвітіння.

4. Встановлено, що Colletotrichum gloeosporioides гальмує ріст облистненого пагона в інокульованого люпину жовтого сортів Обрій та Бурштин на 22-39%, наростання кореневих бульбочок на 10-66%, знижує їх азотфіксуючу активність на 37-92%. Стандартний штам Bradyrhizobium sp. (Lupinus) 367а відзначається високою адаптацією до збудника антракнозу.

5. Сорти люпину білого і люпину жовтого є алелопатично активними. Передпосівна інокуляція штамами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) індукує підвищення алелопатичної активності водних екстрактів з насіння люпину на 10-15% за розведення 1:10. Дводольні тест-об'єкти (амарант хвостатий, гречка їстівна, крес-салат), порівняно з однодольними (озима пшениця, ячмінь звичайний), є на порядок чутливішими до дії колінів L. albus і L. luteus.

6. У складі екзометаболітів листків люпину білого сортів Олежка, Синій парус, Піщовий, алкалоїдної форми виявлено комплекс речовин фенольної природи: гентизинову, ванілінову, п-оксибензойну фенолкарбонові кислоти. Специфічними для сортів Олежка є протокатехова, Синій парус - ферулова (транс-) і м-кумарова (цис-) кислоти. У листках люпину жовтого сортів Мотив-369, Промінь, Обрій, Борсельфа і Бурштин ідентифіковано п-оксибензойну кислоту, спільними для сортів Мотив-396, Обрій і Бурштин є ванілінова та гентезинова кислоти, а специфічною для Обрію- кофейна. Наявність такого комплексу сполук зумовлює алелопатичну активність листків.

7. Бактеризація насіння впливає на якісний і кількісний вміст вільних ФКК у листках люпину білого сорту Олежка. Гентизинову, ферулову (транс-), ванілінову, п-оксибензойну кислоти ідентифіковано в рослин, інокульованих Bradyrhizobium sp. (Lupinus) штамами 367а, 1а, 2а, 3а, 4а і 5а. Штами 2а, 3а 4а й 5а сприяють накопиченню в листках м-кумарової (цис-), 1а та 2а - кофейної і протокатехової, 5а - сирінгової кислот.

8. Вперше встановлено, що передпосівна інокуляція насіння бульбочковими бактеріями сприяє зростанню вмісту флавоноїдів у листках люпину на 5,3-57,9%. Найбільшу кількість флавоноїдів визначено в сортів Мотив-369 (Lupinus luteus), Синій парус і алкалоїдної форми (Lupinus albus), інокульованих штамом 3а, Піщовий - 5а. У люпину, спонтанно інокульованого місцевими расами бульбочкових бактерій, ідентифіковано в листках флавоноїди: кверцетин -3-рутинозид (сорти Олежка, Синій парус, Піщовий, Мотив-369, Обрій і алкалоїдна форма), рутин (Мотив-369, Промінь, Обрій, Борсельфа) та кверцетин (Промінь і алкалоїдна форма).

9. Алелопатична активність післяжнивних решток люпину залежить від сортових особливостей рослин, штамів бульбочкових бактерій, що використовували для інокуляції, концентрації водних витяжок і тривалості їх впливу на біотести. Корені люпину відзначаються нижчою (на 5,5-14,8 %) активністю, ніж надземні органи. Найвищу алелопатичну активність виявляють продукти деструкції решток алкалоїдної форми люпину білого і сортів Обрій та Борсельфа люпину жовтого.

10. У ґрунті після вирощування люпину білого сортів Олежка, Синій парус, Піщовий і алкалоїдної форми й люпину жовтого сортів Мотив-369, Промінь, Борсельфа, Бурштин встановлено наявність амінокислот (гістидину, гліцину, валіну, триптофану, ізолейцину, лейцину, аспаргінової кислоти й слідів лізину) і ФКК (ферулової (транс- і цис-), сирінгової, ванілінової, п-оксибензойної, п-кумарової (транс- і цис-), о-кумарової, м-кумарової), що підтверджує положення про те, що кількісний й якісний склад біологічно активних сполук, які накопичуються у ґрунті при вирощуванні люпину, не спричиняють фітотоксичного ефекту та стимулюють розвиток агрономічно корисної мікрофлори.

11. Найвища алелопатична активність кореневих виділень зафіксована в алкалоїдної форми люпину білого (вміст гальмувачів від 9 до 44 %) і сорту Промінь люпину жовтого (вміст гальмувачів від 6 до 50 %), що гальмує функціонування симбіотичних систем на початку вегетації рослин. Кореневі ексудати інокульованого люпину жовтого сорту Мотив-369 стимулюють ріст корінців біотесту (від 3 до 51 %) і активність симбіотичних систем.

12. Коефіцієнти кореляції між показниками оптичної густини кореневих виділень проростків інокульованого люпину білого і довжиною корінців біотестів, що росли на цих виділеннях, мають пряме й обернене значення (від -0,016 до 0,801).

13. Встановлено видо- і сортоспецифічні особливості у формуванні ризоценозу. Доведено, що склад мікрофлори грунту (спорові і неспорі бактерії, стрептоміцети й мікроміцети) змінюється в онтогенезі люпину.

14. Кореневі виділення люпину жовтого сорту Борсельфа гальмують ростові процеси у бобових рослин, але стимулюють ріст та розвиток злакових культур. Фізіологічна взаємодія кореневих виділень проростків люпину жовтого сорту Борсельфа (донора) з проростками гречки, кукурудзи, ячменю, жита, сої, люпину жовтого сорту Промінь, люпину білого сортів Піщовий і Олежка (акцептори) супроводжується явищами посилення алелопатичної дії й антагонізму, залежить від видових особливостей рослин та їх віку.

15. Достовірний, порівняно з контрольним варіантом, приріст врожаю зерна отримано у люпину білого сортів Олежка при інокуляції Bradyrhizobium sp. (Lupinus) штамами 1а і 5а (6,26 і 4,83 ц/га), Синій парус - 367а (6,25 ц/га), Піщовий - 1а, 3а, 4а і 5а (від 3,21 до 8,22 ц/га) і алкалоїдної форми - 367а, 1а, 4а, 5а (від 4,10 до 9,63 ц/га), люпину жовтого сортів Мотив-369 - 367а, 3а, 4а (від 2,38 до 3,54 ц/га), Обрій - 1а, 2а і 5а (від 3,46 до 4,33 ц/га), Борсельфа - 1а, 4а і 5а (від3,1 до 3,35 ц/га), Бурштин - 1а і 3а (3,77 і 2,85 ц/га).

16. Істотний приріст сирого протеїну виявлено у зерні люпину білого сорту Піщовий на фоні інокуляції Bradyrhizobium sp. (Lupinus) штамами 2а і 5а(на 1,09 і 1,54%), Олежка - Саф.2 і Саф.3 (3,48 і 3,14%) та алкалоїдної форми - 367а, 1а, 2а, 3а, 4а, 5а (0,76-2,06%), люпину жовтого сортів Мотив-369 - 4а, 5а, Саф.1, Саф.3 (1,55-4,27%) , Борсельфа - 5а (1,1). На вміст олії, фосфору і калію у насінні люпину передпосівна інокуляція культурами бульбочкових бактерій не впливає.

17. Результати, отримані при виконанні дослідження, використано для удосконалення елементів технології вирощування люпину на зерно в господарствах Західного Лісостепу України. Застосування передпосівної інокуляції насіння сортів люпину білого і жовтого активними штамами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) знижує собівартість виробництва продукції, відповідно, на 3,87-9,93 й 8,08-20,1 грн./ц, збільшує прибуток від реалізації зерна на 452-829 і 260-404 грн./га та підвищує рентабельність виробництва на 48-94 і 29-53%. Коефіцієнт енергетичної ефективності перевищує варіант без інокуляції на 7,2-17,2 і 11,8-23,3%.

ПРОПОЗИЦІЇ ДЛЯ МІКРОБІОЛОГІЧНОЇ ПРАКТИКИ І СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА

1. Для мікробіологічної практики запропоновано “Спосіб оцінки ефективності бобово-ризобіального симбіозу люпину білого з бульбочковими бактеріями” (деклараційний патент на корисну модель №9525, 17.10.2005. Бюл. №10), який визначає співвідношення сумарного вмісту флавоноїдів у листках інокульованих і неінокульованих рослин. При коефіцієнті ефективності F більшому за одиницю симбіоз рекомендовано вважати ефективним, а при значенні F меншому за одиницю - неефективним.

2. Високоефективні штами Bradyrhizobium sp. (Lupinus) 1а та 5а, які дають приріст врожайності насіння для більшості існуючих сортів люпину, занесених до Реєстру сортів рослин України, рекомендовано для виготовлення бактеріальних добрив під люпин.

3. Для встановлення рівня алелопатичної активності водних екстрактів з насіння і органів люпину доцільно використовувати проростки амаранту хвостатого як чутливу до колінів тест-культуру.

4. Інокуляція активними штамами бульбочкових бактерій насіння люпину білого і жовтого підвищує врожайність зерна відповідно на 21,9-38,5 й 21,7-38,7%, однак це залежить від генотипів сорту і штаму Bradyrhizobium sp. (Lupinus) та їх сумісності. У ґрунтово-кліматичних умовах Західного Лісостепу України сільськогосподарському виробництву рекомендовано використовувати комплементарні пари симбіонтів “сорт люпину - штам Bradyrhizobium sp. (Lupinus)”: Олежка - la, 5а, Синій парус - 367а, Піщовий - За, 5а, алкалоїдна форма - 5а (білий), Мотив-369 - 4а, Промінь - 2а, 1а, Обрій - 1а, Борсельфа - 4а, Бурштин - 1а, За (жовтий).

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пида С.В., Машковська С.П., Григорюк І.П., Якубенко Б.Е. Люпин (Lupinus L.). - К.: Логос, 2004. - 42 с. (Дисертанту належить ідея, покладена в основу брошури, її написання).

2. Пида С.В., Бутницький І.М. Вплив нових штамів Bradyrhizobium lupini на симбіотичну азотфіксацію люпину // Збірник наук. праць. Інст. землеробства УААН (випуск 2). - К.: Нора-прінт, 1998. - С. 118-122. (Дисертантом заплановано та поставлено експеримент, написання статті).

3. Пида С.В. Вплив різних штамів Bradyrhizobium lupini на алелопатичні і симбіотичні властивості люпину білого // Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. - Чернігів, 1998. - №3. - С. 32-34.

4. Пида С.В. Формування симбіотичного апарату та азотфіксувальна активність в люпину білого, інокульованого Bradyrhizobium lupini // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Біологія. - 1999. - №1 (4). - С. 67-71.

5. Пида С.В., Михалків Л.М. Дослідження впливу нових штамів бульбочкових бактерій на динаміку функціонування бобово-ризобіального комплексу люпину // Сучасна екологія і проблеми сталого розвитку суспільства: Збірник наук.-техн. праць. - Львів: укр. ДЛТУ. - 1999. - Вип. 9.7. - С. 140-145. (Дисертанту належить ідея, покладена в основу статті, планування та постановка експерименту, йому належить ідея написання статті).

6. Пида С.В., Солодюк Н.В. Вплив збудника антракнозу на ростові процеси та активність азотфіксуючого апарату в люпину // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Біологія. - 1999. - №2 (5). - С. 48-51. (Дисертантом розроблено загальну схему дослідження, поставлено експеримент, подано ідею написання статті).

7. Пида С.В., Машковська С.П. Донорно-акцепторна взаємодія між кореневими ексудатами проростків деяких видів Tagetes L. і Lupinus L. // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Біологія. - 1999. - №4 (7). - С. 32-36. (Дисертанту належить ідея, покладена в основу статті, планування та постановка експерименту, написання статті).

8. Пида С.В. Симбіотичні властивості деяких штамів в умовах Західного Поділля // Збірник наукових праць Ордена Трудового Червоного Прапора Інституту землеробства Української академії аграрних наук (випуск 1-2). - К.: Нора-прінт, 1999. - С. 154-159.

9. Векірчик К.М., Пида С.В., Конончук О.Б. Деякі аспекти підвищення азотфіксувальної активності та продуктивності зернобобових культур в умовах Західного Поділля // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Біологія. -2000. - №1 (8). - С. 27-32. (Дисертантом проведено обговорення результатів експерименту, написання статті).

10. Солодюк Н.В., Фартушняк А.Г., Левченко Т.М., Пида С.В. Створення кормових безалкалоїдних сортів люпину // Вісник аграрної науки, травень 2000. - С. 60-63. (Дисертанту належить ідея написання статті та постановка експерименту).

11. Пида С.В. Відмінності сортів люпину жовтого за азотфіксуючою здатністю при вирощуванні в умовах Західного Лісостепу України // Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. - Чернігів, 2000. - №6. - С. 51-52.

12. Пида С.В. Вплив люпину на алелопатичну активність ґрунту // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Біологія. - 2000. - №3 (10). - С. 36-39.

13. Pyda Svitlana. Efficiency of inoculation of Lupin by Bradyrhizobium strains in the Western Podillya region of the Ukraine // Proceedings of the 9th International Lupin Conference, Klink/Muritz Germany, 20-24 June 1999. - USA: Alabama Agric. Expt. Stn. and Auburn University, 2000. - P. 258-260.

14...