Азоспириллы и их влияние на злаковые культуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азоспириллы и их влияние на злаковые культуры

Свойства Azospirillum spр и их перспективность в качестве действующего агента бактериальных удобрений. Азоспириллы - грамотрицательные азотфиксирующие ризобактерии, выделенные впервые Бейеринком [1], привлекли большое внимание исследователей благодаря оригинальным работам Dobereiner, Day [2], Yoshida, Ancajas [3], Balandreau, Willemin [4], Dommerques, Balandreau et al. [5], Dobereiner et al. [6], Dobereiner, Day, Dart [7]. Эти работы продемонстрировали широкое распространение Azospirillum spp и высокий уровень нитрогеназной активности в ассоциациях со злаковыми культурами и положили начало активному развитию исследований по ассоциативной азотфиксации.

Все ассоциативные диазотрофы способны расти на агаровых средах, не содержащих азота, они имеют механизмы защиты от кислорода - выделение слизи, которая препятствует диффузии кислорода в среде, либо сжигание кислорода респираторным путем [8, 9]. Максимальный уровень ассоциативной азотфиксации фиксируется обычно при низком парциальном давлении кислорода. Учитывая этот факт, Dobereiner, Day [2] разработали полужидкую среду для изоляции азотфиксирующих бактерий с корней растений и из ризосферной почвы. Эта надежная техника привела к открытию двух разновидностей азоспирилл - Azospirillum brasilense и Azospirillm. lipoferum [2, 10]. Впоследствии были открыты еще несколько разновидностей - A. amazonense, A. halopraeferanse, A. irakens и др.

Некоторое время азоспириллы считались специфичными представителями почв тропического и субтропического регионов [2, 11, 12-14], однако уже в 1978 году они были обнаружены в почвах зоны умеренного климата [15]. В дальнейшем было установлено широкое распространение азоспирилл в зоне умеренного климата [16, 17, 18, 19, 20, 21] и даже в зоне субарктического климата [22, 23].

Азоспириллы не являются главными составляющими почв умеренной зоны, где в основном доминируют Pseudomonas, Enterobacter и Bacillus [23, 24, 25]. В тропических почвах численность азоспирилл достигает 104-107 клеток на грамм сухого веса корней. M. Krol [26, 27], H. Jaskowska [28, 29] и D. Kulinska [30] показали широкую распространенность азоспирилл в ризосфере зерновых культур на 15 почвенных разновидностях Польши, имеющей значительное сходство климатических и почвенных условий с Беларусью. Численность азоспирилл в почвах умеренной зоны ниже, чем в условиях тропиков и субтропиков. По данным польских исследователей, в ризосфере ячменя и кукурузы спонтанная численность Azospirillum sp. варьирует от нескольких клеток до двух тысяч (2*103) клеток на 1 грамм ризосферной почвы. Что касается распространения вида A. brasilense, то, например, из ризоплана кукурузы было выделено 68 штаммов, из ризосферы ячменя - 21.

Азоспириллы обнаружены в ассоциациях с самыми разными растениями умеренной зоны [18-23, 31, 32], при этом они нередко преобладали над другими азотфиксаторами. Ассоциативные диазотрофы взаимодействуют в основном с растениями, имеющими С3 и С4 проводящие пути фотосинтеза, к которым относятся ячмень, пшеница, кукуруза, травы, рис, хлопок [32, 33, 34, 35]. Показано, что ризосферу кукурузы заселяли в основном A. brasilense (62%), а A. lipoferum составляли 15% [26, 27]. Установлена широкая распространенность азоспирилл на злаковых травах умеренной зоны [20, 36, 37, 38, 39, 40].

Перспективность азоспирилл в качестве активного агента бактериальных удобрений обусловлена их свойствами. Azospirillum spp отличаются разносторонним приспособительным метаболизмом углерода и азота, что в значительной мере способствует их адаптации, приживаемости и жизнедеятельности в конкурентных условиях ризосферы.

В неблагоприятных условиях, например, при дефиците питания, Azospirillum могут трансформироваться в цистоподобные образования, что существенно повышает их выживаемость в ризосфере [41]. Эти морфологические изменения сопровождаются развитием внешней оболочки, состоящей из полисахаридов, а также аккумуляцией поли-в-гидроксибутирата, который служит источником углерода и энергии в условиях стресса [42, 43]. Аккумуляция поли-в-гидроксибутирата имеет фундаментальное значение для выживаемости Azospirillum.

Существенным преимуществом Azospirillum spp является их высокая подвижность. При этом A. brasilense отличаются повышенной подвижностью за счет одной полярной флагеллы, используемой для движения в жидких средах и дополнительных латеральных флагелл для движения в более плотных средах [44, 45]. Повышенная подвижность служит важным дополнительным защитным фактором, обеспечивающим преимущества азоспирилл и возможности передвижения в зоны с благоприятными условиями питания, т.е. к корням. В ризосфере существует градиент концентрации элементов питания от корней к окружающей почве. Установлен положительный хемотаксис азоспирилл к органическим кислотам, сахарам, аминокислотам [46, 47, 48], а также к корневым экссудатам [49]. Экспериментально показана миграция A. brasilense к корням проростков пшеницы и установлена ее зависимость от почвенной влаги (доказано, что она лимитируется почвенной влагой). В классических работах Bashan Y. et al. представлены доказательства того, что свободное движение Azospirillum brasilense через водную пленку играет главную роль в хемотаксисе в естественных условиях [50].

Важной особенностью азоспирилл является аэротаксис - способность к направленному движению в сторону оптимальной концентрации кислорода [51]. Перечисленные свойства Azospirillum обеспечивают им существенные преимущества и возможность достижения оптимальной ниши как для выживания в ризосфере, так и для азотфиксации [52]. Azospirillum spp являются аэробными гетеротрофами, которые осуществляют фиксацию азота в микроаэрофильных условиях [31].

В настоящее время все азотфиксирующие бактерии, колонизирующие злаковые культуры, подразделяются на три категории: ризосферные бактерии, факультативные эндофиты и облигатные эндофиты [53]. Azospirillum sp. (за исключением A. halopraeferanse) относятся к факультативным эндофитам, так как способны колонизировать поверхность и внутреннюю часть корней. Азоспириллы способны проникать внутрь корня и расти как эндофиты в межклеточных пространствах [54], хотя в основном рассматриваются как эпифиты [32]. Некоторые штаммы, имеющие специфические механизмы взаимодействия с корнями, заселяют внутреннюю часть корня [55, 56, 57, 58]. При использовании метода поверхностной стерилизации была экспериментально показана, способность некоторых штаммов Azospirillum к колонизации внутренней части корней [57, 59].

Колонизация корней - ключевой фактор успешного взаимодействия растений с азоспириллами. Клетки азоспирилл обнаруживают на всех частях инокулированной корневой системы, но большинство азоспирилл заселяют поверхность корней, колонизируют слой муцигеля или поврежденные кортикальные клетки корня [34, 56, 58, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66]. Микроскопические исследования инокулированных Azospirillum корней пшеницы показывают массивную колонизацию зоны удлинения, зоны корневых волосков [60, 66, 67], верхушки корня [68] и оснований корневых волосков [60, 69], так как именно эти части корневой системы постоянно выделяют аттрактанты для азоспирилл и обеспечивают их питание и жизнедеятельность [67]. Азоспириллы слабо адсорбируются к корневым волоскам [60, 68, 70], по данным Bashan Y. [68], адсорбция к поверхности корня и корневым волоскам соотносится как 5:1.

Несмотря на слабую колонизацию корневых волосков, Azospirillum одновременно способствуют их развитию. Самый заметный эффект от инокуляции злаковых культур ризосферными бактериями - это стимуляция развития корневых волосков [60, 68, 71]. По сравнению с другими диазотрофами наибольший стимулирующий эффект вызывают Azospirillum spp при этом резко возрастает число, плотность и длина корневых волосков, а также число деформированных волосков [60, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74].

Инокуляция азоспириллами вызывает морфологические и физиологические изменения корней, в них снижается активность окислительных ферментов и содержание жиров, повышается скорость усвоения NO-3, K+ и H2PO4- [61, 76], улучшается использование воды [75, 76]. Водный режим может быть одним из главных факторов улучшения роста инокулированных растений. Инокулированные корни отличаются большей пропорцией молодых корней, чем неинокулированные.

Морфологические изменения корней, наблюдаемые при инокуляции азоспириллами, наиболее вероятно связаны с бактериальной продукцией регуляторов роста [60, 69, 70, 72]. Увеличение числа латеральных корней и корневых волосков обеспечивает большую поглощающую поверхность корней, улучшая способность инокулированных растений использовать элементы минерального питания и воду.

Достижения в области генетики микроорганизмов дают основания полагать, что начальные этапы взаимодействия микроорганизмов с корнями растений одинаковы для разных бактерий. Для успеха колонизации корней решающее значение имеет подвижность бактерий, изолирован структурный ген, ответственный за белок (флагеллин) латеральной флагеллы Azospirillum brasilense Sp.7 [77]. Структурный белок полярной флагеллы оказался гликопротеином, что позволяет предполагать, что он действует как фактор адгезии к поверхности корней [78].

Прикрепление Azospirillum к корням растений - существенный фактор эффективности ассоциации. Прикрепление представляет собой двухфазный процесс [79], в первой фазе бактерии адсорбируются к корням как отдельные клетки быстро, слабо и обратимо при участии полярной флагеллы [78], во второй фазе формируются бактериальные агрегаты [58], которые прочно и необратимо прикрепляются к корням. Считается, что прикрепление зависит от бактериальной продукции капсулярного внеклеточного полисахарида [70, 79]. Высказано предположение, что лектины корня также участвуют в процессе колонизации корней [70], связывание индуцирует изменения в клеточном метаболизме Azospirillum brasilense Sp. 245 и способствует азотфиксации, экскреции NН+4 и биосинтезу ИУК [80]. Теория лектинового связывания, предложенная для описания взаимодействия растений и бактерий [68, 70], находит все большее число подтверждений. Установлена тесная взаимосвязь бактериальной адсорбции к корням и азотфиксации Bashan Y. [68].

Azospirillum spp отличает многообразие в отношении метаболизма азота. В принципе азоспириллы могут осуществлять все реакции цикла азота, за исключением нитрификации. Источниками азота для азоспирилл могут служить атмосферный азот, аммоний, нитраты и нитриты [3, 31, 81, 82, 83]. Особое значение имеют два процесса - азотфиксация и денитрификация. Azospirillum могут обеспечивать растения азотом, либо за счет азотфиксации, либо за счет денитрификации [83, 84, 85, 86].

В анаэробных условиях Azospirillum используют нитрат в качестве акцептора дыхательного электрона и восстанавливают нитрат до молекулярного азота через нитрит и N2O. В зависимости от количества нитратов и кислорода в среде Azospirillum в ассоциации со злаками осуществляют либо азотфиксацию (редукцию С2Н2), либо денитрификацию (образование N2O). Активность обоих процессов определяется свойствами штамма [83, 84]. Активность азотфиксации оптимальна при 0,5-2% кислорода в газовой фазе, поэтому азоспириллы могут осуществлять азотфиксацию только при пониженном давлении кислорода в жидких культурах [7]. Наличие нитратов в среде подавляет азотфиксацию, но абсолютно необходимо для протекания денитрификации. За денитрификацию у Azospirillum ответственны диссимиляторные нитритредуктазы, которые превращают нитрит только до N2O, а не до N2 [83, 84, 86].

Эффективность бактеризациизлаковых культур азоспириллами. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по влиянию Azospirillum spp на урожайность основных злаковых культур умеренной и тропической зон - пшеницы [31, 32, 34, 35, 55, 87], кукурузы [87, 88, 89], ячменя [90, 91] и злаковых трав [21, 37, 38, 39, 57, 58, 70, 87, 89, 92].

В условиях умеренного климата продуктивность азотфиксации, как и интенсивность фотосинтеза, ниже, чем в условиях тропиков, но Azospirillum spp также являются активным компонентом азотфиксирующей микрофлоры корней злаковых трав умеренной зоны [19, 20, 36, 37, 38, 39, 40], что стимулировало исследования с кормовыми травами, возделываемыми в зоне умеренного климата.

В исследованиях О.А. Берестецкого, Л.Ф. Васюк с соавторами [105] была показана перспективность бактеризации кормовых трав азоспириллами (Российский НИИ сельскохозяйственной микробиологии). В работе А.Е. Хальчицкого [106] по инокуляции тимофеевки луговой была установлена хорошая сохранность интродуцированных диазотрофов на корнях после перезимовки растений на третий год жизни травостоя.

В работах Волкогона В.В. (Украинский НИИ сельскохозяйственной микробиологии) изучена эффективность бактеризации райграса пастбищного и костреца безостого азоспириллами, в том числе на разных фонах азотных удобрений [38]. В соответствии с данными В.В. Волкогона внесение 40-80 кг/га минерального азота на дерново-подзолистой почве стимулировало азотфиксацию в корневой зоне трав и приводило к повышению урожайности [38, 96]. Высокий эффект от бактеризации отмечен в 1-й год жизни трав. На 2-й и 3-й годы жизни наблюдали снижение прибавок от бактеризации.

Агрономическая оценка 20-летнего применения азоспирилл, проведенная Y. Okon [87], свидетельствует об их способности повышать урожайность злаковых культур на разных почвах и в разных климатических регионах. В соответствии с его оценкой около 60-70% инокуляционных экспериментов дают статистически достоверные прибавки урожайности, которые варьируют в пределах 5-30% (11-24% на злаковых травах во Флориде; 10-20% на кукурузе в Джорджии и Нью-Джерси; от 15-19% до 20-30% на злаковых травах в Индии; 15-20% на злаковых травах и 20-30% на кукурузе в Израиле; 3-54% на пшенице, ячмене и кукурузе в Италии).

Однако примерно в 30-40 % инокуляционных экспериментов отмечается статистически недостоверный или нулевой эффект. Проблема нестабильности эффектов при интродукции азоспирилл обсуждается в обзорах J. Fages [93], I.R. Kennedy et al. [31, 32], С.А. Лукина с соавт. [25], Т.Н. Майоровой с соавт. [94].

Рассматривая научную информацию по проблеме нестабильности эффектов при использовании азоспирилл, следует отметить, что многие из проанализированных экспериментов были спланированы в основном для изучения азотфиксации и в связи с этим условия минерального питания не всегда были оптимизированы. В то время как оптимизация минерального азотного питания является одним из ключевых факторов успеха инокуляции. С другой стороны, нестабильность результатов во многом обусловлена недостаточной изученностью процессов взаимодействия микроорганизмов и растений и факторов повышения эффективности азотфиксирующих ассоциаций. Неудачи инокуляционных экспериментов объясняются также сортовой и штаммовой вариабельностью [32, 95]. Эффективность инокуляции зависит от выбора адекватных пар растение - штамм-инокулянт. Существенное значение имеют свойства используемого штамма-инокулянта, включая различия по способности к колонизации корней, стимуляции роста и азотфиксации [25, 31, 32, 93, 94]. Штаммовую вариабельность азоспирилл с точки зрения динамики популяций и влияния на растения можно считать существенным фактором при выборе популяций для инокуляции растений.

Таким образом, стабильность результатов инокуляционных экспериментов зависит от выбора адекватного штамма-инокулянта с комплексом полезных свойств, и оптимизации минерального азотного питания.

В Беларуси исследования по ассоциативной азотфиксации были начаты Л.А. Карягиной и В.Н. Нестеренко, которые показали распространенность азоспирилл в условиях Беларуси [37, 39, 40], провели сравнительную оценку эффективности диазотрофов различной родовой принадлежности на злаковых травах [97], отметили зависимость эффективности бактеризации от влагообеспеченности почвы и количества осадков [92], получили данные по влиянию зонального штамма Azospirillum brasilеnse ВКПМ В-4485 на урожайность ячменя и многолетних злаковых трав [39, 97].

Штамм Azospirillum brasilеnse ВКПМ В-4485. Штамм ассоциативных азотфиксирующих бактерий Azospirillum brasilеnse ВКПМ В-4485 [98], входящий в состав бактериального удобрения Азобактерин [107] характеризуется высоким азотфиксирующим потенциалом [39], значительной ростостимулирующей активностью [101] и способностью к мобилизации труднодоступных форм почвенного фосфора [108]. Благодаря наличию различных приспособительных механизмов у штамма Azospirillum brasilеnse ВКПМ В-4485 бактериальное удобрение Азобактерин оказывает разностороннее положительное влияние на инокулированные растения в разных экологических условиях.

Бактериальное удобрение Азобактерин индуцирует значительный гормональный эффект, проявляющийся в увеличении объема и сухой массы корней инокулированных растений - объем корней увеличивался на 30%, сырая масса - на 54%, высота растений повышалась в среднем на 8%, сырая масса надземной части - на 25% [101], что существенно повышает их адаптивные возможности в отношении использования элементов минерального питания и воды.

Длительные полевые эксперименты с многолетними злаковыми травами показали, что бактериальное удобрение Азобактерин обеспечивало стабильный положительный эффект на четырех видах злаковых трав - овсянице луговой, тимофеевке луговой, костреце безостом и еже сборной [99, 100, 101, 102]. На дерново-подзолистой супесчаной почве при равных условиях минерального питания наибольший эффект от инокуляции получен на костреце безостом и еже сборной - при средней урожайности 62 и 56 ц/га прибавки от Азобактерина составили 10 и 9 ц/га сухой массы 4; урожайность и прибавки от бактеризации тимофеевки луговой и овсяницы луговой были ниже и составили 48 и 40 ц/га, 7 и 5 ц/га сухой массы соответственно [101, 102]. Реальный вклад азотфиксации в азотное питание подтверждается соответствующим повышением содержания белка в урожае трав: костреца - с 10,2 до 13,6%, ежи - с 10,7 до 12,9%, тимофеевки - с 9,5 до11,1%, овсяницы - с 9,3 до 11% [102].

В полевом опыте с ежой сборной на дерново-подзолистой супесчаной почве установлена эффективность Азобактерина при разных уровнях минерального азотного питания (0, 30, 60 кг/га). По показателям урожайности сухой массы (105,6 ц/га), прибавки от бактеризации (14,4 ц/га), повышению активности азотфиксации в ризоплане (в 3,8 раза) и содержания протеина в продукции (14,6%) оптимальная доза минерального азота - N60 [99].

Изучена эффективность зонального штамма A. brasilense В-4485 на посевах ячменя на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве. Оценивали эффективность разных способов внесения диазотрофов и сравнивали действие штамма с химическим протравителем семян Фенорамом. Все изученные способы бактеризации обеспечивали повышение урожайности ячменя, стимулировали продуктивное кущение, увеличивали массу и число зерен в колосе. Наиболее высокую урожайность ячменя (61,1 ц/га) и прибавку зерна (11 ц/га) обеспечивала предпосевная обработка семян на фоне N60, при этом бактеризация способствовала синтезу и накоплению белка в зерне. Предпосевная обработка семян Azospirillum brasilense В-4485 была сравнима по эффективности с действием Фенорама [103].

Проведена оценка эффективности применения Азобактерина на льне-долгунце. Предпосевная инокуляция семян стимулировала закладку большего числа репродуктивных органов у растений и оказывала положительное влияние на показатели структуры урожая льна-долгунца, определяющие его качество. За счет инокуляции повышалась техническая длина стеблей льна, наибольший эффект отмечен на фонах РК-удобрений: техническая длина стебля была на 8,2- 8,5 см выше, чем на контроле. Перспективны следующие варианты биологизации возделывания льна-долгунца за счет применения Азобактерина: первый - на фоне N15 Р60 К90 в сочетании с предпосевной обработкой семян, что позволяет экономить 15 кг/га азота и обеспечивает урожайность длинного волокна, эквивалентную внесению N30 Р60 К90, при этом выход длинного волокна составил в среднем 1,34 т/га, прибавка от бактеризации 0,33 т/га, относительное содержание длинного волокна повышалось на 3%; второй - на фоне Р60 К90 в сочетании с предпосевной обработкой семян также позволяет экономить 15 кг/га азота и обеспечивает урожайность длинного волокна, эквивалентную внесению N15 Р60 К90, при этом выход длинного волокна составил в среднем 1,08 т/га, прибавка от бактеризации 0,36 т/га, относительное содержание длинного волокна повышалось на 7% [104]. Применение Азобактерина позволяет снижать доза азотных удобрений при возделывании льна-долгунца. Действие Азобактерина на урожай и качество продукции льна-долгунца эквивалентно внесению как минимум 15 кг/га д.в. азота. При этом исключается избыточная концентрация азота в корневой зоне льна-долгунца, которая может снижать выход волокна, его качество и урожайность семян.

Таким образом, анализ научной литературы показал, что перспективность использования азоспирилл в качестве действующих агентов бактериальных удобрений обусловлена их свойствами - способностью стимулировать рост растений, фиксировать молекулярный азот в ассоциации со злаковыми культурами, разнообразным метаболизмом азота, хемотаксисом и аэротаксисом. При условии выбора адекватного штамма, сочетающего хорошую способность к колонизации корней сельскохозяйственной культуры, высокую азотфиксирующую и ростостимулирующую активность, способность осуществлять мобилизацию почвенного фосфора, а также при условии оптимизации минерального азотного питания, применение азоспирилл может обеспечивать реальный вклад биологического азота в урожай и повышение качества продукции по содержанию белка. Необходимыми условиями успеха инокуляции являются - изготовление качественного биоудобрения, правильное его хранение и внесение.

почва тропический бактерия

Список литературы

почва тропический бактерия

1.Beijerinck, M.W. Ueder ein Spirillum, welches freien Stickstoff binden kann? / M.W. Beijerinck // Zentralbaltt fur Bakteriologie, Parasitenkunde und Infektionskrankheiten. ? 1925. ? V. 63, № 2. ? P. 353?359.

2.Dobereiner, J. Associative symbioses in tropical grasses: Characterization of microorganisms and dinitrogen fi xing sites / J. Dobereiner, J.M. Day // Nitrogen Fixation: рroc. 1st Int. Symp. / Eds. W.E. Newton and C.J. Nyman; Washington State Univ. Press, Pullman, Washington, USA. ? Washington, 1976. ? P. 518?538.

3.Yoshida, T. Nitrogen fi xing activity in upland and fl ooded rice fi elds / T. Yoshida, R.R. Ancajas // Soil Sci. Soc. Am. Proc. ? 1973. ? V. 37. ? P. 42?46.

4.Balandreau, J. Fixation biologique de l'azote moleculaire en savane de Laento (Basse Cote d'Ivoire): Resultats preliminaires / J. Balandreau, G. Willemin // Rev. Ecol. Biol Sol. ? 1973. ? V. 10. ? P. 23?33.

5.Non-symbiotic nitrogen fi xation in the rhizosphere of rice, maize and different tropical grasses / Y. Dommergues [et al.] // Soil Biol. Biochem. ? 1973. ? V. 5, № 1. ? P. 83?89.

Размещено на Allbest.ru