Клубеньковые бактерии как основа высокоэффективных биоудобрений для бобовых культур
Авторы:
Название:
Клубеньковые бактерии как основа высокоэффективных биоудобрений для бобовых культур
Страницы:
345-348
Азот является абсолютно необходимым элементом для всех живых организмов. Однако представители растительного и животного мира не способны черпать азот непосредственно из атмосферы воздуха. Такой способностью обладают микроорганизмы (азотфиксаторы)
а процесс связывания азота атмосферы этими организмами и перевод его в доступную для усвоения растениями форму называют биологической азотфиксацией. Наибольший вклад в биологическую фиксацию азота вносят симбиозы азотфиксирующих бактерий (ризобий) и бобовых растений. Одним из приемов современного земледелия является применение препаратов для растениеводства на основе полезных микроорганизмов. Долгое время сельское хозяйство решало эту проблему с помощью использования минеральных азотных удобрений
что позволило резко повысить продуктивность основных сельскохозяйственных культур. Но их интенсивное использование привело к необходимости экологизации с/х производства
что побудило страны мира к переходу к экологичному с/х (органическое земледелие)
под которым следует понимать производство продукции с помощью максимального использования биологических факторов повышения плодородия
не оказывающих отрицательного воздействия на природу. Одним из приемов современного земледелия является применение препаратов для растениеводства на основе полезных микроорганизмов. Применение биопрепаратов повышает продуктивность растений
улучшает их качество за счет повышения содержания белка
крахмала
витаминов и других соединений
позволяет получить более раннюю продукцию
улучшает ее сохранность. Кроме того
их использование позволяет снизить норму минеральных азотных удобрений
что положительно сказывается на уровне нитратов и нитритов в продукции.
а процесс связывания азота атмосферы этими организмами и перевод его в доступную для усвоения растениями форму называют биологической азотфиксацией. Наибольший вклад в биологическую фиксацию азота вносят симбиозы азотфиксирующих бактерий (ризобий) и бобовых растений. Одним из приемов современного земледелия является применение препаратов для растениеводства на основе полезных микроорганизмов. Долгое время сельское хозяйство решало эту проблему с помощью использования минеральных азотных удобрений
что позволило резко повысить продуктивность основных сельскохозяйственных культур. Но их интенсивное использование привело к необходимости экологизации с/х производства
что побудило страны мира к переходу к экологичному с/х (органическое земледелие)
под которым следует понимать производство продукции с помощью максимального использования биологических факторов повышения плодородия
не оказывающих отрицательного воздействия на природу. Одним из приемов современного земледелия является применение препаратов для растениеводства на основе полезных микроорганизмов. Применение биопрепаратов повышает продуктивность растений
улучшает их качество за счет повышения содержания белка
крахмала
витаминов и других соединений
позволяет получить более раннюю продукцию
улучшает ее сохранность. Кроме того
их использование позволяет снизить норму минеральных азотных удобрений
что положительно сказывается на уровне нитратов и нитритов в продукции.
Традиционное сельское хозяйство играет важную роль в обеспечении продовольствием растущего населения Земли
что приводит к увеличению зависимости от химических удобрений и пестицидов. Использование вызывает загрязнение воздуха и грунтовых вод
[Larmola,2014]. Инновационный взгляд на сельское хозяйство приводит к увеличению спроса на биоорганические удобрения в качестве альтернативы агрохимикатам
[Lechene
2007].
Наибольший вклад в биологическую фиксацию азота вносят симбиозы азотфиксирующих бактерий (ризобий) и бобовых растений. Но в естественных условиях бобовые используют только 10-30% своего азотфиксирующего потенциала
что приводит к дефициту азота в почве (Dávila
2015).
Насыщенность почвы различными элементами определяется наличием в ней бактерий. Нехватка бактерий приводит к замедлению роста и неправильному развитию
[Youssef
2015]. Для устранения этой проблемы используют
так называемые
бактериальные удобрения. Их относят к самым безвредным видам подкормок
[Abd-Alla
2014]. В сельском хозяйстве ризобиальные удобрения представляют собой экономически эффективные и экологичные заменители химических азотных удобрений
[Nova-Franco
2014]. Они являются микробиологическими инокулянтами
которые улучшают питание всех сельскохозяйственных культур. При попадании данных удобрений в грунт
они обеспечивают усиление биохимических процессов и способствуют более качественному питанию растений. Говоря о биоудобрениях
чаще всего имеют ввиду бактериальные удобрения
которые повышают биодоступность минеральных и органических соединений фосфора
магния
кальция
железа и цинка.
Микроудобрения на основе ризобий получили широкое распространение после того
как было обнаружено их положительное влияние на рост и урожайность бобовых культур. Взаимная выгода состоит в том
что бактерии потребляют из воздуха азот и отдают его растениям
а растения насыщают бактерии нужными питательными веществами
[Bhardwa
2014]. Человечество уже относительно давно научилось выделять и отбирать эффективные клубеньковые бактерии и получать из них бактериальные удобрения
[Krapp
2015].
Использование препаратов клубеньковых бактерий для заражения семян бобовых растений является обязательным
когда в определенной местности вводят новые культуры бобовых
[Oldroyd
2014]. Такая потребность возникает
например
при возделывании сои (Glycine max) в новых зонах земледелия
когда клубеньков на корнях бобовых растений образуется мало или не образуется совсем. Инокуляция может способствует обеспечению образования клубеньков и азотфиксацию. В результате увеличивается урожайность и содержание белка в растительной массе и зерне
[Udvardi
2013].
Предполагается
что биоудобрения являются безопасной альтернативой химических удобрений для минимизации экологического ущерба. Они увеличивают урожайность на 10-40%
повышают содержание азота в почве на 40-50%
улучшают качество почвы
её pH и другие свойства
[Remigi
2016]. Другим плюсом является то
что после нескольких лет непрерывного использования биоудобрений
изменяется микробный состав почвы
в результате необходимость в постоянном применении биоудобрений отпадает
[Cheng
2016; Terpolilli
2016].
Дополнительные преимущества биоудобрений заключаются в том
что они не оказывают неблагоприятного воздействия на экосистемы. Они сохраняют почвенную среду
богатую всеми видами микро- и макроэлементов путем фиксации азота
фосфата и калия. Когда биоудобрения применяются в комплексе с семенами или почвенными модификаторами
они размножаются и участвуют в повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Но имеется существенное требование для биоудобрений – это использование безвредных бактерий для здоровья человека и животных
учитывая
что некоторые патогенные бактерии человека
такие как Klebsiella pneumoniae
Burkholderia cepacia
Pseudomonas aeruginosa
или Acinetobacter хотя и способствуют росту растений
но не могут быть использованы из-за их патогенности
[Stucke
2017].
Инокуляция бобовых растений ризобиями может значительно увеличить их урожайность. В обмен на фиксированный азот
ризобии получают углеводы для поддержания процесса фиксации азота
[Suganuma
2014]. Клубеньковые бактерии рода Rhizobium можно выращивать на различных средах. Далее этими культурами клеток можно обрабатывать семена или почву
чтобы обеспечить формирование эффективного симбиоза. Бактерии данного рода производят большое количество индолилуксусной кислоты (ИУК)
которая способствует росту растений. Имеются данные
что инокуляция семян мукуны жгучей (Mucuna pruriens) штаммами рода Rhizobium приводит к увеличению содержания общего органического углерода
азота
фосфора и калия в почве
увеличивает рост растений
растительную биомассу
попутно сокращая популяцию сорняков
а также повышает качество микробного состава почвы
[Kneip
2007]. Кроме того
они выделяют комплекс витаминов группы В
гиббереллины
нафталин
уксусную кислоту и другие вещества
которые ингибируют корневые патогены и улучшают рост корней.
Эффективное использование ризобий требует знаний об их биоразнообразии и симбиотических характеристиках. Биоразнообразие ризобий интенсивно изучается во всем мире. Большинство опубликованных работ касается симбиоза клубеньковых бактерий рода Rhizobium с бобовыми растениями
которые относятся к родам Phaseolus
Vicia
Lathyrus
Medicago
Melilotus
из-за их экономической важности и распространения во всем мире
[Rondon
2007; Knoth
2014] .
Нами была исследована возможность использования клубеньковых бактерий дикорастущих бобовых как основы высокоэффективных биоудобрений. Было проанализировано около 200 штаммов микросимбионтов
относящихся к родам: Rhizobium
Mesorhizobium
Sinorhizobium. Исследовались микросимбионты таких растений как: горошек заборный (Vicia sepium L.)
г. лесной (V. sylvatica L.)
г. гороховидный (V. pisiformis L.)
г. мышиный (V. cracca L.)
чина весенняя (Lathyrus vernus L. Bernh.)
ч. луговая (L. pratensis L.)
ч. лесная (L. sylvestris L.)
ч. гороховидная (L.pisiformis L.)
люцерна гибридная (Medicago varia Mart.)
донник белый (Melilotus albus Medik.)
д. желтый (M. officinalis (L.) Pall.)
произрастающих на территории Южного Урала. Апробация данных штаммов была проведена на таких культурах как: горох посевной (Pisum sativum L.)
вика посевная (Vicia sativa L.)
люцерна посевная (Medicago sativa L.). Эффективность данных штаммов сравнивалась со штаммами клубеньковых бактерий
входящих в состав коммерческих биопрепаратов
представленных на рынке России. По результатам оценки для некоторых испытуемых штаммов были получены сопоставимые результаты эффективности
а в некоторых случаях нитрогеназная активность клубеньковых бактерий на 5-10% превышала нитрогеназную активность штаммов
входящих в состав коммерческих биоудобрений. Поскольку взятые в анализ микроорганизмы являются аборигенными штаммами для Южного Урала
можно предполагается
что они будут более приспособлены к данным почвенно-климатическим условиям.
Таким образом
микроорганизмы
полученные из клубеньков дикорастущих бобовых растений вполне пригодны в качестве материала для селекции эффективных штаммов клубеньковых бактерий для использования их как основы высокоэффективных биоудобрений бобовых культур.
что приводит к увеличению зависимости от химических удобрений и пестицидов. Использование вызывает загрязнение воздуха и грунтовых вод
[Larmola,2014]. Инновационный взгляд на сельское хозяйство приводит к увеличению спроса на биоорганические удобрения в качестве альтернативы агрохимикатам
[Lechene
2007].
Наибольший вклад в биологическую фиксацию азота вносят симбиозы азотфиксирующих бактерий (ризобий) и бобовых растений. Но в естественных условиях бобовые используют только 10-30% своего азотфиксирующего потенциала
что приводит к дефициту азота в почве (Dávila
2015).
Насыщенность почвы различными элементами определяется наличием в ней бактерий. Нехватка бактерий приводит к замедлению роста и неправильному развитию
[Youssef
2015]. Для устранения этой проблемы используют
так называемые
бактериальные удобрения. Их относят к самым безвредным видам подкормок
[Abd-Alla
2014]. В сельском хозяйстве ризобиальные удобрения представляют собой экономически эффективные и экологичные заменители химических азотных удобрений
[Nova-Franco
2014]. Они являются микробиологическими инокулянтами
которые улучшают питание всех сельскохозяйственных культур. При попадании данных удобрений в грунт
они обеспечивают усиление биохимических процессов и способствуют более качественному питанию растений. Говоря о биоудобрениях
чаще всего имеют ввиду бактериальные удобрения
которые повышают биодоступность минеральных и органических соединений фосфора
магния
кальция
железа и цинка.
Микроудобрения на основе ризобий получили широкое распространение после того
как было обнаружено их положительное влияние на рост и урожайность бобовых культур. Взаимная выгода состоит в том
что бактерии потребляют из воздуха азот и отдают его растениям
а растения насыщают бактерии нужными питательными веществами
[Bhardwa
2014]. Человечество уже относительно давно научилось выделять и отбирать эффективные клубеньковые бактерии и получать из них бактериальные удобрения
[Krapp
2015].
Использование препаратов клубеньковых бактерий для заражения семян бобовых растений является обязательным
когда в определенной местности вводят новые культуры бобовых
[Oldroyd
2014]. Такая потребность возникает
например
при возделывании сои (Glycine max) в новых зонах земледелия
когда клубеньков на корнях бобовых растений образуется мало или не образуется совсем. Инокуляция может способствует обеспечению образования клубеньков и азотфиксацию. В результате увеличивается урожайность и содержание белка в растительной массе и зерне
[Udvardi
2013].
Предполагается
что биоудобрения являются безопасной альтернативой химических удобрений для минимизации экологического ущерба. Они увеличивают урожайность на 10-40%
повышают содержание азота в почве на 40-50%
улучшают качество почвы
её pH и другие свойства
[Remigi
2016]. Другим плюсом является то
что после нескольких лет непрерывного использования биоудобрений
изменяется микробный состав почвы
в результате необходимость в постоянном применении биоудобрений отпадает
[Cheng
2016; Terpolilli
2016].
Дополнительные преимущества биоудобрений заключаются в том
что они не оказывают неблагоприятного воздействия на экосистемы. Они сохраняют почвенную среду
богатую всеми видами микро- и макроэлементов путем фиксации азота
фосфата и калия. Когда биоудобрения применяются в комплексе с семенами или почвенными модификаторами
они размножаются и участвуют в повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Но имеется существенное требование для биоудобрений – это использование безвредных бактерий для здоровья человека и животных
учитывая
что некоторые патогенные бактерии человека
такие как Klebsiella pneumoniae
Burkholderia cepacia
Pseudomonas aeruginosa
или Acinetobacter хотя и способствуют росту растений
но не могут быть использованы из-за их патогенности
[Stucke
2017].
Инокуляция бобовых растений ризобиями может значительно увеличить их урожайность. В обмен на фиксированный азот
ризобии получают углеводы для поддержания процесса фиксации азота
[Suganuma
2014]. Клубеньковые бактерии рода Rhizobium можно выращивать на различных средах. Далее этими культурами клеток можно обрабатывать семена или почву
чтобы обеспечить формирование эффективного симбиоза. Бактерии данного рода производят большое количество индолилуксусной кислоты (ИУК)
которая способствует росту растений. Имеются данные
что инокуляция семян мукуны жгучей (Mucuna pruriens) штаммами рода Rhizobium приводит к увеличению содержания общего органического углерода
азота
фосфора и калия в почве
увеличивает рост растений
растительную биомассу
попутно сокращая популяцию сорняков
а также повышает качество микробного состава почвы
[Kneip
2007]. Кроме того
они выделяют комплекс витаминов группы В
гиббереллины
нафталин
уксусную кислоту и другие вещества
которые ингибируют корневые патогены и улучшают рост корней.
Эффективное использование ризобий требует знаний об их биоразнообразии и симбиотических характеристиках. Биоразнообразие ризобий интенсивно изучается во всем мире. Большинство опубликованных работ касается симбиоза клубеньковых бактерий рода Rhizobium с бобовыми растениями
которые относятся к родам Phaseolus
Vicia
Lathyrus
Medicago
Melilotus
из-за их экономической важности и распространения во всем мире
[Rondon
2007; Knoth
2014] .
Нами была исследована возможность использования клубеньковых бактерий дикорастущих бобовых как основы высокоэффективных биоудобрений. Было проанализировано около 200 штаммов микросимбионтов
относящихся к родам: Rhizobium
Mesorhizobium
Sinorhizobium. Исследовались микросимбионты таких растений как: горошек заборный (Vicia sepium L.)
г. лесной (V. sylvatica L.)
г. гороховидный (V. pisiformis L.)
г. мышиный (V. cracca L.)
чина весенняя (Lathyrus vernus L. Bernh.)
ч. луговая (L. pratensis L.)
ч. лесная (L. sylvestris L.)
ч. гороховидная (L.pisiformis L.)
люцерна гибридная (Medicago varia Mart.)
донник белый (Melilotus albus Medik.)
д. желтый (M. officinalis (L.) Pall.)
произрастающих на территории Южного Урала. Апробация данных штаммов была проведена на таких культурах как: горох посевной (Pisum sativum L.)
вика посевная (Vicia sativa L.)
люцерна посевная (Medicago sativa L.). Эффективность данных штаммов сравнивалась со штаммами клубеньковых бактерий
входящих в состав коммерческих биопрепаратов
представленных на рынке России. По результатам оценки для некоторых испытуемых штаммов были получены сопоставимые результаты эффективности
а в некоторых случаях нитрогеназная активность клубеньковых бактерий на 5-10% превышала нитрогеназную активность штаммов
входящих в состав коммерческих биоудобрений. Поскольку взятые в анализ микроорганизмы являются аборигенными штаммами для Южного Урала
можно предполагается
что они будут более приспособлены к данным почвенно-климатическим условиям.
Таким образом
микроорганизмы
полученные из клубеньков дикорастущих бобовых растений вполне пригодны в качестве материала для селекции эффективных штаммов клубеньковых бактерий для использования их как основы высокоэффективных биоудобрений бобовых культур.
- Abd-Alla M. H. et al. Synergistic interaction of Rhizobium leguminosarum bv. viciae and arbuscular mycorrhizal fungi as a plant growth promoting biofertilizers for faba bean (Vicia faba L.) in alkaline soil // Microbiological research. 2014. V. 169. P. 49-58. doi.org/10.1016/j.micres.2013.07.007
- Bhardwaj D. et al. Biofertilizers function as key player in sustainable agriculture by improving soil fertilityplant tolerance and crop productivity // Microbial Cell Factories. 2014. V. 13. P. 66. doi:10.1186/1475-2859-13-66
- Cheng G. et al. Multiplicity of sulfate and molybdate transporters and their role in nitrogen fixation in Rhizobium leguminosarum bv. viciae Rlv3841 // Molecular Plant-Microbe Interactions. 2016. V. 29. P. 143-152. doi:10.1094/MPMI-09-15-0215-R
- Dávila D. Z.Ormeño-Orrillo E.Martínez-Romero E. Biodiversity of nitrogen-fixing nodule bacteria associated with Lima bean (Phaseolus lunatus L.) in its domestication centers //Araújo ASFLopes Â. CAGomes RLFeditors. Phaseolus lunatus: DiversityGrowth and Production. Nova Science Publishers. 2015. P. 91-102.
- Kneip C. et al. Nitrogen fixation in eukaryotes–new models for symbiosis // BMC Evolutionary Biology. 2007. V. 7. P. 55. doi:10.1186/1471-2148-7-55
- Knoth J. L. et al. Biological nitrogen fixation and biomass accumulation within poplar clones as a result of inoculations with diazotrophic endophyte consortia // New Phytologist. 2014. Т. 201. P. 599-609. doi:10.1111/nph.12536
- Krapp A. Plant nitrogen assimilation and its regulation: a complex puzzle with missing pieces // Current Opinion in Plant Biology. 2015. V. 25. P. 115-122. doi:10.1016/j.pbi.2015.05.010
- Larmola T. et al. Methanotrophy induces nitrogen fixation during peatland development // Proc. Nat. Acad. Sci.USA. 2014. V. 111. P. 734-739. doi:10.1073/pnas.1314284111
- Lechene C. P. et al. Quantitative imaging of nitrogen fixation by individual bacteria within animal cells // Science. 2007. V. 317. P. 1563-1566. doi:10.1126/science.1145557
- Nova-Franco B. et al. The micro-RNA172c-APETALA2-1 node as a key regulator of the common bean-Rhizobium etli nitrogen fixation symbiosis // Plant Physiology. 2015. V. 168. P. 273-291. doi:10.1104/pp.114.255547
- Oldroyd G. E. D.Dixon R. Biotechnological solutions to the nitrogen problem //Current Opinion in Biotechnology. 2014. V. 26. P. 19-24. doi:10.1016/j.copbio.2013.08.006
- Remigi P. et al. Symbiosis within symbiosis: evolving nitrogen-fixing legume symbionts // Trends in microbiology. 2016. V. 24. P. 63-75. doi:10.1016/j.tim.2015.10.007
- Rondon M. A. et al. Biological nitrogen fixation by common beans (Phaseolus vulgaris L.) increases with bio-char additions //Biology and fertility of soils. 2007. V. 43. №. 6. P. 699-708. doi:10.1007/s00374-006-0152-z
- Scott J. T.McCarthy M. J.Carole S. Nitrogen fixation may not balance the nitrogen pool in lakes over timescales relevant to eutrophication management // Limnology and Oceanography. 2010. V. 55. P. 1265-1270. doi:10.1093/aob/mct048
- Sohm J. A.Webb E. A.Capone D. G. Emerging patterns of marine nitrogen fixation // Nature Reviews Microbiology. 2011. V. 9. P. 499-508. doi:10.1038/nrmicro2594
- Stucke N. et al. Synthetic Nitrogen Fixation with Mononuclear Molybdenum (0) Phosphine Complexes: Occupying the trans-Position of Coordinated N2// Springer. 2017.P.1-40.
- Suganuma N. Lotus Genes Involved in Nodule Function and Nitrogen Fixation //The Lotus japonicus Genome. Springer Berlin Heidelberg. 2014. P. 79-84. doi:10.1007/978-3-662-44270-8_8
- Terpolilli J. J. et al. Lipogenesis and redox balance in nitrogen-fixing pea bacteroids // Journal of Bacteriology. – 2016. V. 198. P. 2864-2875. doi:10.1128/JB.00451-16
- Udvardi M.Poole P. S. Transport and metabolism in legume-rhizobia symbioses //Annu. rev. Plant Biology. 2013. V. 64. P. 781-805. doi:10.1146/annurev-arplant-050312-120235
- Youssef M. M. A.Eissa M. F. M. Biofertilizers and their role in management of plant parasitic nematodes. A review // J. Biotechnol. Pharm. Res. 2014. V. 5. P. 1-6.