The influence of soybean rhizobia on the agricultural seeds sowing qualities

Full Text

Многовековой практикой человек усиливал те признаки семян, при реализации которых можно добиться получение растительных организмов с высокой продуктивной способностью. Урожайность, как показывают исследования многих ученых, во многом зависит от темпа начального развития, или «стартового» состояния семян. Чем энергичнее развивается проросток, тем быстрее он переходит на корневое питание, избегая болезни и неблагоприятные условия среды прорастания. [2, 6]

Для выращивания высоких и устойчивых урожаев с хорошим качеством продукции очень важно получать своевременные, полноценные и дружные всходы оптимальной густоты. Поэтому проблема стимулирования или ингибирования, прорастания семян и происходящих в них процессов занимает важное место в современном растениеводстве как в теоретическом, так и практическом отношениях. [1, 7, 8]

Механизмы влияния клубеньковых бактерий на растение можно разделить на два типа: прямой эффект и опосредованный. К первому причислены: гормональная стимуляция, увеличение поступления питательных веществ в растения. Фитогормоны, витамины и другие биологически активные вещества, которые производят бактерии, относятся к важнейшим механизмам взаимодействия в растительно-бактериальных ассоциациях. [9, 11, 12] Например, ауксины стимулируют развитие корневой системы, регулируют дифференцировку органов и другое, цитокинины индуцируют деление клеток, повышают всхожесть семян, положительно влияют на растение, которое находится в неблагоприятных для роста и развития условиях, гиббереллины помогают вегетативному росту, ускоряют прорастание семян. [10, 13]

К опосредованным эффектам относят положительное действие бактерий, которое связано с подавлением болезней и повышением устойчивости растений к всевозможным стрессовым факторам. При успешной конкуренции ризобактерии, в том числе и клубеньковые, подавляют рост и развитие различных почвенных фитопатогенов и вытесняют их из зоны влияния на растение. [5, 14]

Цель работы – выявить штаммы Sinorhizobium fredii, обладающие стимулирующим действием на семена сельскохозяйственных культур и улучшающим их посевные качества без применения химикатов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект изучения – штаммы чистых культур S. fredii, выделенные из природных популяций Дальнего Востока, семена сои, люпина, вигны, пшеницы, ячменя.

Возможность улучшенного прорастания и обеззараживания семян сельскохозяйственных культур с помощью ризобий сои исследовали по методике С.А. Бегуна. [3] Использовали минерально-растительную среду (МРС), г/л: К₂НРО₄ – 0,5; КН₂Р0₄ – 0,5; МgSO₄ – 0,1; СaSO₄ – 0,1; NaCl – 0,2; маннит – 20,0; соевая мука – 10,0; агар-агар – 20,0, которую стерилизовали и разливали в чашки Петри 1/3 объема. Подготовленные чашки Петри в шести повторностях при стерильных условиях засевали чистыми культурами ризобий S. fredii, отобранными для исследований. Для получения сплошного газона изучаемых штаммов, в подготовленные чашки бактериологической петлей вносили посевной материал, равномерно распределяя по всей поверхности МРС. Далее инкубировали в термостате при 27…28°С в течение 10 сут., наблюдая за характером роста ризобий. Брали нестерильные семена сельскохозяйственных растений (соя, пшеница, ячмень, вигна, люпин), которые предварительно перебирали, выбраковывая колотые и порченные.

Семена проращивали в чашках Петри на десятисуточной чистой культуре ризобий S. fredii. В контрольных вариантах семена высевали на питательную среду без ризобий. На третьи-седьмые сутки проводили учет длины проростков, всхожести, энергии прорастания семян, их заселенности эпифитной микрофлорой. [4]

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изучали возможность стимулирования прорастания и обеззараживания семян сои, люпина, вигны, пшеницы, ячменя с помощью чистых культур ризобий сои. В работе использовали штаммы S. fredii ББ-49, СБ-39, СБ-43, ТБ-422, ТБ-488, ТБ-490, ТБ-496, ЗБ-79, 062, показавшие обильный рост бактериальной массы на питательной среде МРС. Стандарт – типовой штамм 5851 S. fredii из коллекции микроорганизмов и клеточных культур Института Лейбница (DSMZ), Германия. В вариантах со штаммами наблюдали устойчивые стимулирующий и оздоравливающий эффекты (табл. 1).

 

Таблица 1.

Средние показатели всхожести, длины и сырой массы проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при выращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii на седьмые сутки, 2023 год

Культура, сорт	Вариант	Всхожие семена		Длина проростка		Наличие микрофлоры	Сырая масса проростков
		%	% к контролю	см	% к контролю		г/10 раст.	% к контролю
Соя, Сентябринка	контроль	100	100	2,95	100	+	4,32	100
	ризобии	100	100	3,9	133	н	5,87	136
Пшеница, Арюна	контроль	10	100	0,5	100	+	0,62	100
	ризобии	17	170	1,52	304	н	0,8	125
Ячмень, Амур	контроль	80	100	1,8	100	+	1,21	100
	ризобии	89	111	4,57	254	н	1,92	125
Люпин, к408	контроль	40	100	1, 0	100	+	3,53	100
	ризобии	48	130	1,48	148	н	4,34	123
Вигна	контроль	100	100	0,8	100	+	2,93	100
	ризобии	98	98	2,23	279	н	3,43	117

 

Во всех контрольных чашках Петри на седьмые сутки роста была высокая инфицированность нестерильных семян сельскохозяйственных культур эпифитной микрофлорой.

При посеве семян по газону чистых культур S. fredii микрофлора, находящаяся на семенах, не прорастала или появлялись единичные колонии.

При размещении семян сои по газону чистых культур ризобий, в первую очередь, стимулируется скорость прорастания семян. В среднем энергия прорастания бактеризованных семян сои возросла в 3,4 раза, длина проростков – 3,7 раза, по сравнению с контролем (рис. 1, табл. 2).

 

Рис. 1. Стимуляция прорастания семян сои сорта Сентябринка, третьи сутки роста: а – инокуляция коллекционным штаммом; б – без инокуляции.

 

Таблица 2.

Статистические параметры длины и массы проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при выращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii, 2023 год

Культура	Среднее арифметическое (Х)	Размах вариации (lim)	Стандартное отклонение (σ)	Коэффициент вариации (Cv, %)
Соя, люпин, вигна, пшеница, ячмень	Длина проростка, см
	2,6	0,2…7,12	1,7	63,5
	Сырая масса проростков, г/10 раст.
	3,2	0,54…7,74	1,9	59,6

 

Стимуляция прорастания семян других сельскохозяйственных культур изучаемыми штаммами на третьи сутки была менее заметна. Отдельные штаммы S. fredii увеличили энергию прорастания семян ячменя, темп их прорастания возрос в 2,3 (СБ-43, ТБ-496)…2,7 раза (062), длина проростков – 3,0…3,7 раза, по сравнению с контролем. Положительный эффект бактеризации семян вигны (Vigna angularis) был отмечен со штаммами S. fredii СБ-43, ТБ-469, ТБ-488, 062. Менее всего на инокуляцию семян реагировала пшеница сорта Арюна (табл. 3).

 

Таблица 3.

Показатели всхожести, длины проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при проращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii на третьи сутки, 2023 год

Культура, сорт	Вариант	Всхожие семена			Длина проростка		Наличие микрофлоры
		шт.	%	% к контролю	см	% к контролю
Соя, Сентябринка	контроль	3	30	100	0,3	100	+
	5851	9	90	300	0,5	167	н
	ББ-49	10	100	333	0,6	200	н
	062	9	90	300	0,9	300	н
	СБ-39	10	100	333	1,1	366	н
	СБ-43	10	100	333	1,1	366	н
	ТБ-422	10	100	333	1,2	400	н
	ТБ-488	10	100	333	1,9	633	н
	ТБ-490	7	70	233	1,6	533	+
	ТБ-496	10	100	333	0,9	300	н
	ЗБ-79	8	80	267	0,3	100	н
Пшеница, Арюна	контроль	0	0	–	0	–	+
	5851	0	0	–	0	–	+
	ББ-49	0	0	–	0	–	н
	062	1	10	–	1,2	–	н
	СБ-39	1	10	–	0,1	–	н
	СБ-43	1	10	–	0,5	–	+
	ТБ-422	0	0	–	0	–	н
	ТБ-488	1	10	–	1,0	–	н
	ТБ-490	1	10	–	0,1	–	н
	ТБ-496	1	10	–	0,8	–	н
	ЗБ-79	0	0	–	0	–	н
Ячмень, Амур	контроль	3	30	100	0,3	100	+
	5851	2	20	67	0,2	67	н
	ББ-49	2	20	67	0,4	133	н
	062	8	80	267	0,9	300	н
	СБ-39	3	30	100	0,3	100	н
	СБ-43	7	70	233	1,0	333	н
	ТБ-422	3	30	100	0,3	100	н
	ТБ-488	4	40	133	0,9	300	н
	ТБ-490	3	30	100	0,7	233	н
	ТБ-496	7	70	233	1,1	367	н
	ЗБ-79	3	30	100	0,3	100	н
Люпин, к408	контроль	1	10	100	0,2	100	+
	5851	1	10	100	0,03	15	н
	ББ-49	1	10	100	0,05	25	н
	062	1	10	100	0,2	100	н
	СБ-39	0	0	0	0	0	н
	СБ-43	1	10	100	0,2	100	н
	ТБ-422	2	20	200	0,2	100	н
	ТБ-488	1	10	100	0,1	50	н
	ТБ-490	1	10	100	0,34	170	н
	ТБ-496	2	20	200	0,24	120	н
	ЗБ-79	0	0	–	0	–	н
Вигна	контроль	0	0	–	0	–	н
	5851	0	0	–	0	–	н
	ББ-49	1	10	–	0,07	–	н
	062	4	40	–	0,35	–	н
	СБ-39	1	10	–	0,17	–	н
	СБ-43	5	50	–	0,4	–	н
	ТБ-422	1	10	–	0,2	–	н
	ТБ-488	3	30	–	0,46	–	н
	ТБ-490	2	20	–	0,2	–	н
	ТБ-496	6	60	–	0,4	–	н
	ЗБ-79	0	0	–	0	–	н

 

Показатель всхожести семян по вариантам с бактеризацией существенно различался по сельскохозяйственным культурам (табл. 4). Всхожесть семян сои и вигны практически во всех вариантах, включая контроль, была 100%.

 

Таблица 4.

Показатели всхожести, длины и сырой массы проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при проращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii на седьмые сутки, 2023 год

Культура	Вариант	Всхожие семена			Длина проростка		Наличие микрофлоры	Сырая масса проростков
		шт.	%	% к контролю	см	% к контролю		г/10 раст.	% к контролю
Соя, Сентябринка	контроль	10	100	100	2,95	100	+	4,32	100
	5851	10	100	100	1,71	57	+	4,52	105
	ББ-49	10	100	100	3,98	135	н	6,9	160
	062	10	100	100	2,76	93	н	5,39	125
	СБ-39	10	100	100	4,89	165	н	5,85	135
	СБ-43	10	100	100	4,88	165	н	7,66	177
	ТБ-422	10	100	100	4,39	149	н	5,35	124
	ТБ-488	10	100	100	5,55	188	н	7,74	179
	ТБ-490	10	100	100	3,89	132	н	5,05	117
	ТБ-496	10	100	100	3,36	114	н	5,98	138
	ЗБ-79	10	100	100	3,83	130	+	4,28	99
Пшеница, Арюна	контроль	1	10	100	0,5	100	+	0,62	100
	5851	1	10	100	0,5	100	+	0,61	98
	ББ-49	1	10	100	0,4	80	+	0,57	92
	062	3	30	300	2,7	540	н	1,0	161
	СБ-39	2	20	200	1,0	200	+	0,58	94
	СБ-43	2	20	200	2,6	520	н	1,07	173
	ТБ-422	1	10	100	0,2	40	н	0,63	102
	ТБ-488	2	20	200	3,0	600	н	1,12	181
	ТБ-490	3	30	300	1,1	220	н	0,72	116
	ТБ-496	1	10	100	3,3	660	+	0,9	145
	ЗБ-79	1	10	100	0,4	80	+	0,54	87
Ячмень, Амур	контроль	8	80	100	1,80	100	+	1,21	100
	5851	8	80	100	2,68	149	+	1,23	102
	ББ-49	8	80	100	3,87	215	н	1,45	120
	062	10	100	125	6,41	356	н	2,17	179
	СБ-39	9	90	113	5,22	290	н	1,70	140
	СБ-43	10	100	125	7,12	396	н	3,21	265
	ТБ-422	9	90	113	3,04	169	н	1,38	114
	ТБ-488	9	90	113	5,81	323	н	2,37	196
	ТБ-490	8	80	100	3,83	213	+	1,47	121
	ТБ-496	10	100	125	6,0	333	н	3,08	255
	ЗБ-79	8	80	100	1,67	93	+	1,12	93
Люпин, к408	контроль	4	40	100	1, 0	100	+	3,53	100
	5851	4	40	100	0,7	70	+	3,77	107
	ББ-49	5	50	125	1,66	166	н	4,09	116
	062	8	80	200	2,23	223	н	4,23	120
	СБ-39	6	60	150	1,61	161	н	4,32	122
	СБ-43	6	60	150	1,84	184	н	4,54	129
	ТБ-422	4	40	100	1,31	131	+	3,90	110
	ТБ-488	6	60	150	1,62	162	н	4,90	139
	ТБ-490	4	40	100	1,01	101	+	4,10	116
	ТБ-496	7	70	175	2,38	238	н	5,96	169
	ЗБ-79	2	20	50	0,44	44	н	3,61	102
Вигна	контроль	10	100	100	0,8	100	+	2,93	100
	5851	9	90	90	1,98	248	н	2,67	91
	ББ-49	10	100	100	2,34	293	н	3,34	114
	062	10	100	100	2,65	331	н	3,60	123
	СБ-39	10	100	100	2,28	285	н	3,15	108
	СБ-43	10	100	100	1,89	236	н	4,42	151
	ТБ-422	10	100	100	1,92	240	н	2,99	102
	ТБ-488	10	100	100	2,66	333	н	3,57	122
	ТБ-490	9	90	90	2,50	313	+	3,06	104
	ТБ-496	10	100	100	2,32	290	н	4,86	166
	ЗБ-79	10	100	100	1,73	216	+	2,66	91

 

В экспериментах с семенами ячменя сорта Амур показатель всхожести в контроле был высокий (80%), применение чистых культур S. fredii привело к его увеличению на 11%. Штаммы СБ-43, ТБ-469, 062 повысили всхожесть семян на 25%, по сравнению с контролем. Всхожесть семян пшеницы по усредненным данным была низкой (10%). В результате инокуляции произошло повышение показателя всхожести почти в два раза, по сравнению с контролем. Лучшие результаты всхожести семян пшеницы отмечены в вариантах со штаммами ТБ-490, 062. В них всхожесть повысилась в три раза, по сравнению с контролем. В среднем всхожесть бактеризованных семян пшеницы, ячменя, люпина, возросла на 37%, по сравнению с контролем.

Исследуемые ризобии заметно стимулировали увеличение длины проростков сельскохозяйственных культур. В экспериментах с пшеницей, штаммы S. fredii увеличили длину проростков, в среднем в три, а отдельные штаммы более, чем в пять (СБ-43, 062), шесть (ТБ-488, ТБ-496) раз, по сравнению с контролем. Статистическая обработка данных, полученных в результате исследования возможности стимулирования увеличения длины проростков сои, пшеницы, ячменя, люпина, вигны, показала их нормальное распределение (рис. 2). Наибольшая длина проростков – с инокуляцией семян ячменя Амур. В среднем этот показатель был на уровне 4,57 см, а с бактеризацией семян ячменя штаммами СБ-39 – 5,22 см, ТБ-488 – 5,81, 062 – 6,41, СБ-43 – 7,12 см. В вариантах с ризобиями длина проростков сои, пшеницы, ячменя, люпина, вигны увеличилась на 224% при высокой изменчивости этого показателя (C_v = 63,5%).

 

Рис. 2. Q-Q Plot показателей длины проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при проращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii на седьмые сутки.

 

При размещении нестерильных семян сельскохозяйственных культур по газону чистых культур изучаемых штаммов нарастала сырая масса проростков, средние показатели сои, пшеницы, ячменя, люпина, вигны варьировали от 0,54 до 7,74 г/10 раст. (C_v = 59,6%). Лучшие результаты были отмечены в вариантах с бактеризацией семян сои штаммами ББ-49, СБ-43, ТБ-488, пшеницы – СБ-43, 062, ТБ-488, ячменя – 062, СБ-43, ТБ-488, ТБ-496, люпина – СБ-43, ТБ-488, ТБ-496, вигны – 062, СБ-43, Т-496. Сырая масса проростков сои превышала контроль на 60…79%, пшеницы – 61…81, ячменя – 79…165, люпина – 29…69, вигны – 23…66% (рис. 3).

 

Рис. 3. Сырая масса проростков сельскохозяйственных культур в вариантах со штаммами Sinorhizobium fredii, г/10 раст.

 

В вариантах с бактеризацией семян сырая масса проростков сои, пшеницы, ячменя, люпина, вигны увеличилась на 23%, по сравнению с контролем. Набор данных о нарастании сырой массы проростков сельскохозяйственных культур при бактеризации их семян имел незначительные отклонения от нормального распределения (рис. 4).

 

Рис. 4. Q-Q Plot показателей массы проростков нестерильных семян сельскохозяйственных растений при проращивании по газону чистых культур Sinorhizobium fredii на седьмые сутки.

 

Таким образом, установлено, что типовой штамм 5851 S. fredii по изучаемым показателям не превышал контроль, наиболее высокие результаты энергии прорастания сои наблюдали в вариантах с бактеризацией штаммами S. fredii ББ-49, СБ-39, СБ-43, ТБ-422, ТБ-488, ТБ-496, ячменя, вигны – 062, СБ-43, ТБ-496, люпина – ТБ-422, ТБ-496; всхожести семян пшеницы – 062, ТБ-490, ячменя, люпина – 062, СБ-43, ТБ-496; длины проростков сои – СБ-39, СБ-43, ТБ-488, пшеницы, ячменя – 062, СБ-43, ТБ-488, ТБ-496, люпина – 062, СБ-43, ТБ-496, вигны – 062, ТБ-488, ТБ-490, ТБ-496; сырой массы проростков сои (7,74 г/10 раст.), пшеницы (1,12) – ТБ-488, ячменя (3,21) – СБ-43, люпина (5,96), вигны (4,86 г/10 раст.) – ТБ-496. Эти штаммы рекомендовано использовать при производстве биопрепаратов.

Выводы. Выявлены штаммы S. fredii ББ-49, СБ-39, СБ-43, ТБ-422, ТБ-488, ТБ-490, ТБ-496, 062 максимально стимулирующие процесс прорастания семян сельскохозяйственных культур. В среднем всхожесть бактеризованных штаммами семян возросла на 37%, длина проростков – 224, сырая масса проростков – 23%, по сравнению с контролем.

About the authors

I. Yu. Tatarenko

Federal Scientific Center All-Russian Scientific Research Institute of Soybean

Author for correspondence.
Email: tigy@vniisoi.ru

PhD in Agricultural Sciences

Russian Federation, Blagoveshchensk, Amur region

M. V. Yakimenko

Federal Scientific Center All-Russian Scientific Research Institute of Soybean

Email: tigy@vniisoi.ru

PhD in Biological Sciences

Russian Federation, Blagoveshchensk, Amur region

A. I. Sorokina

Federal Scientific Center All-Russian Scientific Research Institute of Soybean

Email: tigy@vniisoi.ru

PhD in Veterinary Sciences

Russian Federation, Blagoveshchensk, Amur region

References

Supplementary files