Фактори за съществуването на симбиоза b. japonicum - соя

Каква е симбиозата на нодулните бактерии и соята? Концепция или феномен, който учените използват, за да плашат производителите, което създава сериозна бариера в комуникацията между тях: учените страдат, защото знанията им не се възприемат, фермерите се нуждаят от конкретни практически отговори на въпросите си. И така, какво е симбиоза и какви фактори всъщност влияят на нейното възникване?

Симбиозата е биологична система, създадена от бобови растения и нодулни бактерии, в резултат на взаимодействието на които се образуват нови морфологични структури - коренови нодули. Последните превръщат атмосферния азот в достъпна за растенията форма - това е сложен, многоетапен процес, който причинява дълбоки физиологични и метаболитни промени и в двамата партньори.

Един от най-важните фактори за възникване на симбиоза е наличието на нодулни бактерии в ризосферата на растенията. Какви са тези микроорганизми? Нодулните азотфиксиращи бактерии или ризобии са почвени микроорганизми, способни да извършват процеса на биологична азотфиксация. Първата класификация на ризобията е разработена още през 30-те години на миналия век, тя се основава на способността на микроорганизмите да влизат в симбиотична връзка с растението гостоприемник. Тогава са идентифицирани само шест вида - Rhizobium meliloti, R. trifolii, R. phaseoli, R. lupini, R. leguminosarum, R. japonicum. 50 години по-късно таксономията на тези микроорганизми е преразгледана и според редица генетични и морфофизиологични свойства е идентифициран нов род ризобии, Bradyrhizobium, чиято характерна черта е ниската скорост на растеж. Именно представителите на този вид са микросимбионти изключително на соеви растения.

Последният от своя страна беше разделен на три вида бактерии: Bradyrhizobium japonicum, B. elkanii, B. liaoningense.

Активното използване на инокуланти по време на отглеждането на соя в различни страни по света, включително Украйна, доведе до образуването на популации на ризобия в почвите, които в резултат на свободно съществуване и влиянието на различни абиотични фактори промениха своя генотип и придобиха нов Имоти.

Така, според данните от молекулярно-генетичните изследвания, сред тях се разграничават няколко групи щамове, които се различават по своите свойства, включително скоростта на растеж. Днес са описани изолати с интензивен растеж, които за разлика от класическите представители могат да увеличат биомасата след два, а не след три дни и половина. Друга особеност на такива щамове е повишената сапрофитна компетентност, т.е. способността на бактериите да оцеляват в почвата извън тялото на растението гостоприемник и е установен фактът на доминирането на тези щамове в луковицата.

Колекцията от агрономически полезни изолати на Института по агроекология и управление на природата на Националната академия на науките на Украйна включва 72 представители на бактерии от рода Bradyrhizobium, сред които щамове, в допълнение към свойствата, които са класически изследвани от микробиолозите (азотфиксиране активност, вирулентност, конкурентоспособност и др.), също се характеризират с тези, на които обикновено се обръща по-малко внимание. По-специално беше отбелязано, че третирането на семена от соя с някои изолати, в допълнение към образуването на мехурчета, допринесе за подобряване на развитието на кореновата система: имаше увеличение на нейната дължина и тегло и специфичната повърхност площта на корените също се увеличи. Освен това беше отбелязано влиянието на инокулацията върху развитието на болести по соевите растения както от бактериален, така и от гъбичен произход. Друг интересен факт е, че растенията, инокулирани с група щамове Bradyrhizobium с установен симбиотичен апарат, са по-способни да издържат на пестицидни стресови условия, както и суша и киселинност на почвата.

Въпреки че повечето щамове на Bradyrhizobium не се вкореняват в почвата и се излюпват още през следващия вегетационен период, в нашата колекция има изолати, които са в състояние не само да образуват гъста популация, но и да се появяват в достатъчно количество за дълъг период от време , в лабораторни условия те се различават по интензивност на растеж, с ден и половина пред класическите щамове на соевите ризобии.

Чрез тестване на стотици комбинации от различни изолати успяхме да създадем ефективен състав, който не само притежава всички полезни свойства, характерни за инокуланта, но също така има редица специфични, например значителен синергичен ефект между биоагентите.

Преди да се пристъпи към разглеждане на конкретни фактори, влияещи върху формирането на симбиоза, трябва да се подчертае, че формирането и функционирането на симбиотични взаимодействия между соевите растения и азотфиксиращите бактерии е двупосочен процес. Следователно действието на всеки външен фактор трябва да се разглежда не само от позицията на влияние върху бактериите, както правят индустриалците и много учени сега, но комплексно, тоест чрез въздействието върху двамата участници в симбиозата.

Важен фактор при формирането на симбиотични взаимоотношения е генотипът на растението.Именно той провокира образуването на мехурчета, отговаря за техния брой и размер.

Развъждането само според интензивния тип (получаване на високи добиви, съдържание на протеин, съдържание на масло), без да се вземат предвид такива адаптивни свойства като способност за симбиоза, устойчивост на високи температури, киселинност на почвата и др., Води до целенасочена селекция в агробиоценозата. Последицата от това е появата на резистентни плевелни раси, а това от своя страна води до прогресивна нужда от приложение на хербициди. В допълнение, броят и отрицателното въздействие на вредителите и фитопатогените нараства, освен това има видове, които преди това не са били характерни за агроценозите, по-специално соята. Разбира се, това изисква въвеждането на голямо количество инсектициди, акарициди, фунгициди. Ето защо, за да се създаде високоефективна симбиоза, е необходима постоянна селекция и обновяване както на сортовете растения, така и на щамовете на микроорганизмите, въз основа на принципите на тяхното допълване.

Друг елемент на целенасочена селекция е използването на вещества, отговорни за образуването на мехурчета, като по този начин причинява намаляване на активността на сортовете да произвеждат независимо сигнални вещества, по-специално флавоноиди, а в ризобиите - съответните сигнали, например Nod-фактор , "информира" растението за наличието на тези бактерии в кореновата зона на почвата. След това растението образува коренови възли, където се "заселват" бактерии, които се хранят с неговите хранителни вещества и поради факта, че превръщат азота във форма, достъпна за консумация от културата.

Създаването и съществуването на симбиоза включва поетапното участие на всеки от партньорите, но използването на специални "спомагателни" вещества може да доведе до нарушаване на програмата, заложена от природата, която успешно функционира от десетки, дори стотици хиляди години.

От икономическа гледна точка ставаме заложници на такива технологии, тъй като можем да загубим генотипите както на растенията, така и на микроорганизмите, способни самостоятелно да създават ефективна симбиоза.

Важен фактор, който трябва да се вземе предвид от гледна точка на двамата партньори в симбиозата, е киселинността на почвата. Някои производители погрешно смятат, че соята не може да се отглежда на почви с pH по-малко от 5-5,5, тъй като нодулните бактерии „не работят“ с такава киселинност. Съвременните изследвания обаче твърдят обратното: на различни видове почви ризобиите се изолират от мехурчетата на бобови растения, които са толерантни както към силно киселинни (3), така и към алкални (8,5) стойности на pH на почвата. Това се обяснява с факта, че способността на бактериите да се адаптират към условията на околната среда обикновено е по-висока от тази на растенията, тъй като диапазонът на тяхното съществуване е много по-широк.

Какво всъщност се случва?В почви с pH под 5,5 алуминиевите съединения се хидролизират до образуване на токсична форма на тривалентен алуминий, чиято висока концентрация е основният ограничаващ фактор за жизнеспособността на всички растения в 67% от почвите. Токсичният ефект се изразява в потискане на деленето на кореновите клетки, тяхното удължаване и намаляване на наличността на макронутриенти.

Ниското pH на почвата влияе неблагоприятно не толкова на ризобията, колкото на пропускливостта на мембраните на растителните клетки, в резултат на което бактериите не могат да проникнат вътре. За везикулите рН-чувствителният период е началото на инфекциозния процес, а етапът на прикрепване на ризобията към кореновите косми е най-уязвим. Обменът на сигнали между растението гостоприемник и микросимбионта е нарушен. Наблюдава се намаляване на секрецията на флавоноиди от растенията, което влияе върху синтеза на съответните бактериални сигнали. Намаляването на сигнализирането води до блокиране на фази като деформация на кореновата коса и усукване.

Както растенията, така и ризобиите са уязвими към високи температури в началните етапи на онтогенезата и установяването на симбиоза. В бъдеще, дори при високи температури, 30 ... 35 ° C, процесът на образуване на мехурчета продължава. При такива условия обаче не се осъществява фиксиране на азот. Растенията се хранят главно поради консумацията на минерален азот, така че присъствието му в почвата при физиологичен оптимум ще осигури формирането на висок добив от соеви растения. При такива условия листното подхранване на соевите растения с ниски дози азот придобива особено внимание и ефективност.

Съдържащите се в почвата ризобии обикновено са устойчиви на кратки периоди на суша. Липсата на влага се отразява негативно преди всичко на растителния организъм. Неблагоприятният ефект се проявява в нарушаване на процесите на фотосинтеза, което води до дефицит на въглехидрати. Задействат се консервационни механизми и всички хранителни вещества се изразходват за изграждането и развитието на кореновата система, а именно нови корени за „търсене“ на вода.

По този начин липсата на въглехидрати в растението намалява активността на нивото на азотна фиксация, което причинява некротични процеси в нодулите. След нормализиране на водния метаболизъм в растение, което се е поддало на влиянието на стреса от суша, старите нодули вече не възстановяват своите функции. В същото време върху периферните корени на кореновата система се образуват нови, по-малки нодули, чието ниво на азотна фиксация е значително по-ниско от тези, които са загубили жизнеспособност.

Друг фактор, влияещ върху процеса на симбиоза, който между другото предизвиква най-голяма дискусия, е използването на пестициди. Учените от нашия институт изследваха редица пестициди по отношение на ефекта им върху ризобията, процеса на създаване и функциониране на симбиозата и върху соевите растения като цяло.

Например хербицидите на базата на глифозат обикновено не засягат самите бактерии. Тяхното потискане се случва само при високи концентрации на активното вещество, но се наблюдава инхибиране на нитрогеназната активност, особено при липса на влага.

Биоагентите на препарата Rizoactiv бяха толерантни към пестициди на базата на ацетохлор, но беше отбелязано леко намаляване на броя на мехурчетата, което обаче не повлия на продуктивността на растенията.

Трудно е да се направят недвусмислени заключения относно отрицателния ефект на пестицидите върху симбиозата, тъй като при някои условия се наблюдава вреден ефект, докато при други той изобщо не се проявява. За по-сигурно предлагаме тестване на всяко лекарство, което планирате да използвате в технологиите за отглеждане на соя в нашата акредитирана лаборатория.
В тази статия разгледахме темата за симбиозата на нодулните бактерии и соевите растения, тъй като именно нейното разкриване дава отговори на въпроси, които многократно са повдигани в процеса на комуникация и активно сътрудничество с производителите на семинари, изследователски експедиции и директно в полетата на нашите клиенти. Надяваме се, че получените знания ще бъдат полезни на земеделските производители при отглеждане на соя и ще допринесат за получаване на високи и устойчиви добиви.

Ю. Чабанюк, д-р С.-Г. науки, ръководител катедра „Агроекология и биобезопасност“,

аз Бровко, ръководител на лабораторията по екология на микроорганизмите,

Институт по агроекология и природоустройство НААН

Информация за цитиране

Фактори за съществуване на симбиозаb. japonicum - соя / Я. Чабанюк, И. Бровко // Предложение. - 2017. - № 3. - стр. 36-37