Симбиотическая активность люпина при добавлении зоогумуса в субстрат

Полный текст

По литературным данным род Lupinus L. включает от 100 до 1000 видов, отличающихся большим разнообразием. В России интерес к их возделыванию возник в конце девяностых годов прошлого столетия. [5]

Все виды люпина, в особенности белого (Lupinus albus), способны расти на относительно бедных почвах. Из-за высокосинхронной, скоординированной экспрессии генов у растений происходит разрастание корневых кластеров. [5, 13, 14, 16, 18] Они увеличивают контактную площадь соприкосновения корней с ризосферой, а также повышают выделение органических кислот (экзометаболиты), которые меняют кислотность прикорневой зоны до pH=6,0, активизируя действие фосфатмобилизующих бактерий и способствуя лучшему использованию данного элемента из субстрата. [11, 17] Кроме того, низкое плодородие почв стимулирует симбиотическую активность растений, что сводит к минимуму ингибирующее воздействие недостатка в азоте. [9] Дополнительная предпосевная инокуляция семян эффективными штаммами клубеньковых ризобактерий рода Bradyrhizobium благоприятно сказывается на данном процессе. [12, 15] Косвенными показателями улучшения симбиотической эффективности полученного бобово-ризобиального симбиоза служат повышение интенсивности образования клубеньков и нитрогеназной активности. По мнению И.А. Тихоновича и Н.А. Проворова наиболее активно фиксация молекулярного азота происходит в том случае, если она сопряжена с фотосинтезом. У детерминантных сортов значения данных показателей достигают максимального уровня к началу бутонизации, постепенно снижаются к фазе цветения и резко нивелируются при созревании, когда действие внесенных ризобий заканчивается в связи со сформированным потенциальным урожаем. Для сохранности внесенного бактериального компонента часто применяют органические добавки в виде суспензий, содержащих гуминовые кислоты, служащие дополнительным источником питания и стабилизатором концентрации инокулянта в среде. Растение имеет от 20 до 40% неиспользованного потенциала, который можно реализовать с помощью внесения регуляторов роста.

В Центральном Нечерноземье и северных регионах, помимо люпина белого, все большую популярность к возделыванию набирает люпин узколистный (Lupinus angustifolius). [8] В 2016 году в севообороте страны он занимал второе место. [3] Вид – более устойчивый к антракнозу и толерантен к кислым почвам. Комплексные работы по созданию его высокопродуктивных сортов в России начаты лишь с конца прошлого столетия. [1, 7] Вследствие отсутствия ветвления детерминантные сорта не выдерживают конкуренции с сорным компонентом агроценоза. [6] Поэтому для оптимизации питания и адаптации симбиосистем на его основе к условиям региона также внедряют приемы помощи растениям по выходу их из стресса, путем обработки посевов ростостимулирующими биопрепаратами и органическими удобрениями, содержащими макро- и микроэлементы в легкодоступной (хелатная) форме. [10]

В условиях биологизации земледелия для люпиносеяния и других бобовых культур идет постоянный поиск новых источников органического сырья. Среди современных удобрений можно выделить зоогумус – вторичный продукт, получаемый в результате жизнедеятельности насекомых черной львинки (Hermetia illucens), в процессе переработки ими отходов 3…4 класса опасности. По содержанию биогенных элементов и органического вещества продукт не уступает сухому птичьему помету и вермикомпосту. При этом экспериментов с его участием на сельскохозяйственных культурах недостаточно.

Цель работы – изучение влияние жидкого экстракта зоогумуса на формирование параметров люпино-ризобиальной симбиосистемы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования – люпин белый Дега и узколистный Орловский. Растения выращивали в закрытом грунте на площади 1,5×3,0×3,0 м при температуре воздуха 28°C и влажности 60%. Источник освещения – две современные LED-панели по 550 Вт (1100 Вт на бокс) с возможностью диммирования (LEDForPlant, Россия), обеспечивающие уровень досветки 36 800 Лк или 551,7 ммоль/м²/с ФАР. Фотопериод – 16 ч/8 ч (день/ ночь).

Почва – залежная дерново-подзолистая слабоокультуренная, отобранная из пахотного горизонта вблизи деревни Куйдузи (Гатчинский район, Ленинградская обл.), характеризуется слабой обеспеченностью фосфором (18 мг/кг сухой почвы) и средней калием (52 мг/кг сухой почвы), определенных по методу Кирсанова (ГОСТ 26207-91). Содержание гумуса по Тюрину (ГОСТ 26213-91) – 1,41%, рН_КCI – 5,5 (ГОСТ 26483-85).

Семена (четыре штуки) высевали в сосуды Митчерлиха с массой абсолютно сухой почвы 5 кг по классической методике закладки вегетационного опыта. [4] Для инокуляции семян использовали селекционный штамм Bradyrhizobium lupini (ФГБГУ ВНИИСХМ, г. Санкт-Петербург). В варианте с дополнительной добавкой зоогумуса брали 0,2% (2000 ppm) экстракт с нейтральной реакцией среды. Органическую добавку вносили в почву однократно при посеве инокулированных семян. Влажность субстрата (60% общей влагоемкости) на протяжении всего периода вегетации поддерживали весовым методом прикорневым поливом фильтрованной водой через сутки. В контроле растения выращивали без инокуляции и органики на фильтрованной воде. Повторность по вариантам – двенадцатикратная. В фазах бутонизации (55 сут.), цветения (63 сут.) и начала технической спелости (82 сут.) анализировали морфометрические и физиологические показатели зеленой биомассы симбиосистемы. Корни взвешивали отдельно. Для этого из опыта каждый раз изымали по четыре сосуда. Общий срок вегетации – 82 сут.

Динамику изменения нитрогеназной активности в клубеньках люпина измеряли ацетиленредуктазным методом на цельных корневых системах с помощью газового хроматографа GC-2014 (Shimadzu, Япония), оснащенного насадочными колонками, заполненными сорбентом АСМ и пламенно-ионизационным детектором нового поколения, обеспечивающим надежный и высокоточный анализ следовых количеств веществ. [2] Инертный газ-носитель – азот. При подготовке к анализу интактные корни помещали в стеклянные сосуды на 100 мл, далее в каждый сосуд шприцом вводили по 10 мл ацетилена и инкубировали в термостате в течение часа при 28°С. Полученные данные на хроматограмме выражали в нМ образующегося этилена (C₂H₄) на единицу сырого веса отделенных после анализа клубеньков (г) в единицу времени инкубации (ч), подсчитывали количество клубеньков, сформировавшихся на корнях растений в каждой фазе вегетации культуры.

Содержание общего хлорофилла в листьях измеряли в конце эксперимента фотоколориметрически на спектрофотометре UV-2700 (Shimadzu, Япония) при длинах волн 663 (OD 663 ) и 645 нм (OD 645 ) согласно РД 52.24.784-2013, ГОСТ 17.1.4.02-90. Для этого смешанную аликвоту 1,0 г сырой навески экстрагировали в темноте при комнатной температуре в течение 24 ч в 10 мл 80% аммиачного ацетона. Приготовленный гомогенат центрифугировали (4000 об/мин) 10 мин. (модель Sigma 2-6) и фильтровали. Супернатант переливали в колбу на 25 мл, доводили до метки 80% ацетоном и в полученной жидкости определяли содержание фотосинтетических пигментов (мг хлорофилла/100 г образца).

Экспериментальные данные обрабатывали с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2016.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что положительный эффект от применения инокуляции семян и внесения органических удобрений начал проявляться с начальных фаз развития обоих сортов люпина и сохранялся до момента съема опыта. В динамике роста и развития сухая биомасса растений непрерывно нарастала. Закономерно, что минимальные показатели накопления сухого вещества зафиксированы в контроле, в среднем по трем изученным фазам вегетации инокуляция увеличивала массу воздушно-сухого вещества у узколистного люпина на 40%. Для белого люпина повышение веса было несущественным – 6% к контролю. Дополнительное обогащение симбиосистемы узколистного люпина органикой не сказалось на его весе, тогда как в агробиоценозе люпина белого привело к прибавке в массе на 5%. Наибольшая прибавка в весе для обоих видов отмечена в фазе бутонизации (рис. 1).

 

Рис. 1. Влияние суспензии зоогумуса на динамику изменения морфометрических показателей люпино-ризобиального симбиоза по вариантам опыта.

 

По накоплению зеленой биомассы белый люпин во всех вариантах за вегетацию превосходил узколистный в среднем в три раза.

Оценка высоты побегов показала, что внесение зоогумуса и биопрепарата также инициировало линейный рост растений. Наибольшие показатели были на органо-микробном фоне. Под конец вегетации оба вида достигли высоты 50 см, что на 17% превышало значения контрольных растений люпина узколистного и 6% белого.

Важный биологический критерий при отборе высокоурожайных сортов для их дальнейшей селекции – отношение биометрических значений корня к стеблю. Поэтому дополнительно производили учет веса корней. Вариация биомассы побегов у бобовых в разных фазах вегетации была высокой, масса корней – постоянной. Наибольшие их значения сохранялись на протяжении всего эксперимента в варианте с внесением органики и бактерий.

Поскольку почву предварительно не стерилизовали, чтобы не изменять ее физических свойств, в контроле на корнях наблюдали появление небольшого числа клубеньков (см. таблицу). Однако фиксированный ими этилен не учитывали в расчетах и приравнивали к эндогенному. Наибольшее количество клубеньков для обоих видов отмечено с органо-микробным фоном. Причем после цветения по мере перехода растения к формированию плодов, их количество резко снижалось. Так как важный показатель азотфиксирующей способности люпина – масса клубеньков, учет наибольшего ее значения прямо коррелировал с их количеством и показал высокий результат в варианте с органо-микробным консорциумом.

 

Влияние зоогумуса на массу и количество клубеньков люпина

Вариант	Люпин узколистный			Люпин белый
	сутки
	55-е	63-и	82-е	55-е	63-и	82-е
	Масса клубеньков, г/раст.
Контроль	0,02	0,03	0,03	0,01	0,04	0,05
Суспензия B. lupini	0,44	0,33	0,22	0,58	0,28	0,12
Суспензия B. lupini + 0,2% суспензия зоогумуса	0,58	0,44	0,18	0,57	0,47	0,19
	Количество клубеньков, ед/раст.
Контроль	2,0	4,0	4,0	3,0	5,0	6,0
Суспензия B. lupini	52,0	39,0	26,0	64,0	31,0	13,0
Суспензия B. lupini + 0,2% суспензия зоогумуса	69,0	53,0	22,0	56,0	47,0	19,0

 

Изучение симбиотических показателей люпина свидетельствует о стимулирующем влиянии экспериментальных препаратов (рис. 2). Удобрения обеспечили интенсификацию процесса накопления азота в клубеньках. В варианте с дополнительным внесением зоогумуса показатели были немного выше. Наибольший пик в фиксации – во время бутонизации. По показателям лидировал люпин белый.

 

 

Рис. 2. Влияние суспензии зоогумуса на нитрогеназную активность люпино-ризобиального симбиоза по фазам вегетации.

 

Оценка показателей фотосинтетической деятельности листового аппарата растений люпина узколистного под конец вегетации показала, что несмотря на существенный уровень увеличения веса зеленой биомассы, в варианте с органикой и биопрепаратом, по сравнению с контролем, значения накопления общего хлорофилла во всех вариантах были равнозначны (рис. 3).

 

Рис. 3. Влияние суспензии зоогумуса на содержание общего хлорофилла в листьях люпино-ризобиальной симбиосистемы в конце опыта.

 

На белом люпине прибавка от действия инокулянта составила 16 и 22% с дополнительной добавкой зоогумуса. Можно сделать предположение, что для активации работы фотосинтетического аппарата и повышенного синтеза общего хлорофилла у сорта Дега при данных условиях питательно режима и уровня освещения не потребовался дополнительный набор в весе.

Выводы. Биомасса растений считается одним из наиболее важных и надежных критериев оценки продуктивности формируемого урожая сельскохозяйственных культур. С усилением питания ее увеличение наблюдалось лишь на люпине белом. В целом по оценке морфометрических параметров растений, по сравнению с контролем, люпин узколистный оказался более отзывчивым на органо-микробное воздействие под конец вегетации. Вес побега вырос на 36%. Повышение качества получаемой биомассы отмечено у обоих видов.

Разрастание корневой системы в варианте с органо-микробным фоном указывает на улучшение питательного режима и водопотребления растений. Увеличение контактной площади сопряжено с ростом числа клубеньков и нитрогеназной активности, которое связано с повышением синтеза фотосинтетических пигментов.

Таким образом, обработка семян бактериальным препаратом штамма B. lupini перед посевом и дополнительное внесение органического удобрения в виде экстрактов зоогумуса H. illucens в субстрат позволяет достигнуть максимального уровня функционирования симбиотического аппарата растений люпина, режима питания, а также повышения его физиологической активности и нормы урожая.

Об авторах

Святослав Игоревич Лоскутов

ВНИИ пищевых добавок ‒ филиал ФНЦ пищевых систем имени В.М. Горбатова

Email: puhalskyyan@gmail.com

кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией промышленных биотехнологических инноваций

Россия, Санкт-Петербург

Ян Викторович Пухальский

ВНИИ пищевых добавок ‒ филиал ФНЦ пищевых систем имени В.М. Горбатова

Автор, ответственный за переписку.
Email: puhalskyyan@gmail.com

научный сотрудник

Россия, Санкт-Петербург

Анатолий Иванович Осипов

Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: puhalskyyan@gmail.com

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, главный научный сотрудник

Россия, Санкт-Петербург

Алла Ивановна Якубовская

Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма

Email: puhalskyyan@gmail.com

кандидат биологических наук

Россия, Симферополь

Денис Дмитриевич Мещеряков

Индивидуальный предприниматель «Led for Plant»

Email: puhalskyyan@gmail.com

инженер-исследователь

Россия, Красноярск

Ирина Алексеевна Каменева

Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма

Email: puhalskyyan@gmail.com
Россия, Симферополь

Список литературы

Дополнительные файлы