Влияние физиологического потенциала цианобактерий на растительно-микробное взаимодействие
Авторы:
Название:
Влияние физиологического потенциала цианобактерий на растительно-микробное взаимодействие
Страницы:
162-164
Изучен физиолого-биохимический потенциал цианобактериальных штаммов Nostoc sphaeroides Kützing 4 (ACSSI 150) и Desmonostoc muscorum (C.Agardh ex Bornet et Flahault) Hrouzek et Ventura 1 (ACSSI 091),установлено его влияние на эффективность растительно-микробного взаимодействия с использованием микробиологических, биотехнологических, физиолого-биохимических, статистических методов исследования. Определены динамика накопления биомассы клеток и каталазной активности, динамика изменения количества каратиноидов, динамика обеспеченности 14-тью микро- и макроэлементами питания в культуре в течение годового цикла искусственного культивирования. Установлены корреляционные связи и функциональные зависимости в системе «физиолого-биохимический потенциал цианобактерий – продуктивность растений Triticum aestivum L.». Экспериментально доказано, что искусственное культивирование влияет на метаболический потенциал фототрофных штаммов, бактеризация которыми является решающим фактором, определяющим продуктивность растения, и может оказывать стимулирующий / ингибирующий эффект на растения, в зависимости от условий культивирования, что является важным для биотехнологии создания микробных препаратов стимулирующего и гербицидного действия.
Введение
В мировой практике примеров использования микроорганизмов и их метаболитов для создания микробных препаратов удобрительного и биопротекторного действия насчитывают огромное множество, однако, для контроля численности сорной растительности таковых не более десятка [http://www.abercade.ru/research/analysis/15318.html, 2016; http://abercade.ru/research/industrynews/17077.html, 2017]. Например: Stumpout производится в ЮАР на основе Cylindrobasidium leave (Fr.) Read, применяется против акаций в древесных питомниках; Mallet WP производится в США и Канаде на основе Colletotrichum gloeosporioides f.sp. malvae против мальвы круглолистной Malva pusilla Linné в посевах пшеницы, льна и чечевицы; Camperico производится в Японии на основе Xanthomonas campestris pv. роае, применяется против мятлика однолетнего Роа annua Linné на площадках для гольфа [http://abercade.ru/research/reports/themeid_63.html, 2010, 2012]. В России в ФГБНУ ВИЗР проводятся исследования фитопатогенных грибов для борьбы с бодяком щетинистым, осотом полевым, борщевиком Сосновского [http://vizr.spb.ru/struktura-instituta/research/fitotoksikologii/, 2018]. В наших исследованиях использованы цианобактерии как потенциальные полифункциональные биоагенты препаратов биоудобрительного и гербицидного действия.
Целью данной работы было изучение функциональной организации альгобактериальных штаммов для разработки микробных препаратов стимулирующих и ингибирующих рост и развитие растений.
Материалы и методы исследований
Объектами исследования были: альгологически чистые штаммы цианобактерий Nostoc sphaeroides Kützing 4 (ACSSI 150) и Desmonostoc muscorum (C.Agardh ex Bornet et Flahault) Hrouzek et Ventura 1 (ACSSI 091) из Крымской коллекции микроорганизмов ФГБУН «НИИСХ Крыма» и реакция тест растений на бактеризацию в условиях лабораторного опыта.
Штаммы культивировали на рекомендованной для выращивания цианобактерий жидкой минеральной среде [http://utex.org/pages/algal-culture-media-recipes; Temraleeva et al., 2016] в течение года в условиях естественного освещения. Каждые полтора месяца у цианобактериальной культуры измеряли биомассу, рН, физиологические параметры (количество каротиноидов [Aakerant et al., 1992], каталазную активность [Грицаєнко и др. (Gritsaenko et al.), 2003]). Обеспеченность штаммов цианобактерий 14-тью микро- и макроэлементами питания в искусственных средах определяли фотометрически по фотохимической активности хлорофилла А [Плешков, Ягодин (Pleshkov, Yagodin), 1982] в сравнении с контролем – без добавления исследуемых элементов.
Эффективность бактеризации оценивали в лабораторном опыте на тест-растениях пшеницы Triticum aestivum Linné, которые выращивали в климатокамере в сосудах с перфорированным дном, объемом 200 мл на стерильном субстрате – вермикулите (минерал класса алюмосиликатов, слюдяная крошка фракции 1-5 мм), удобренном питательной смесью Д.Н.Прянишникова [Волкогон и др. (Volkogon et al.), 2010]. Для выявления влияния на рост и развитие растений инокулировали проростки по 10 мл штаммом цианобактерий (0,02 мг абсолютно сухой массы (а.с.м.)/мл среды) разного возраста в сравнении с контролем (обработка водой). Эффективность бактеризации оценивали по накоплению фитомассы (надземной и корневой) ювенильных (двухнедельных) растений. Повторность опыта шестикратная.
Для выявления достоверности результатов исследования, функциональных зависимостей между различными факторами и процессами использовали дисперсионный, корреляционный и многомерный разведочный анализ с использованием программ Excel и Statistica 7.
Результаты и их обсуждение
Установлены корреляционные связи в системе «фотохимическая активность хлорофилла А штамма N. sphaeroides 4 – продуктивность растений пшеницы». Показано, что данный штамм в процессе культивирования в искусственных средах обладает разной фотохимической активностью хлорофилла А по отношению к 14-ти макро- и микроэлементам, из которых цинк и железо влияли на эффективность растительно-микробного взаимодействия. Фитомасса бактеризованных растений зависела от уровня элементов питания штамма Zn (r = 0,51; r = 0,57) и Fe (r = 0,52; r = 0,66) в искусственных средах. Гербицидное влияние штамма на рост и развитие тест растений выявлено при бактеризации с оптимальным запасом обеспеченности штамма Zn и Fe в процессе культивирования с потенциалом фотохимической активности хлорофилла для Zn – 14–58%, для Fe – 2–91%.
Эффективность бактеризации штаммом цианобактерий N. sphaeroides 4 имела высокую обратную корреляцию с каталазной активностью ностока и массой корней (r = -0,85; -0,82). Гербицидный эффект на растения, у которых корневая масса снижалась в 1,1-1,3 раза в сравнении с контролем (0,127 г/растение), наблюдали при бактеризации штаммом цианобактерий N. sphaeroides 4, характеризующимся в культуре каталазной активностью с диапазоном 69,1-63,8 мкмоль Н2О2/г/мин, что отмечалось при культивировании в искусственной среде через 4,5-6,0 месяцев.
Ростостимулирующий эффект на растения, при котором корневая масса увеличивалась в 1,4-1,7 раза, отмечен при бактеризации штаммом N. sphaeroides 4, полученным с недостатком питания в культуре Fe – 31,5% (с активностью хлорофилла А 94,0%) и Zn – 226,7 % (с активностью хлорофилла А 22%), а также с каталазной активностью – 32 мкмоль Н2О2/г/мин через 1,5 месяца культивирования, при этом надземная масса растений была на уровне контроля (0,281 г/растение).
Установлены корреляционные связи показателей в системе «физиолого-биохимический потенциал штамма D. muscorum 1 – продуктивность растений пшеницы». Масса корней растений коррелировала с накоплением биомассы клеток штамма (r=0,77) и имела обратную корреляцию с количеством каротиноидов (r=–0,95). Увеличение корневой массы растений в 1,1 раза выявлено при бактеризации 9,0 месячной культурой штамма с биомассой 0,003-0,004 мг а.с.м./мл среды и минимальным количеством каротиноидов в клетках (0,05-0,1%) в сравнении с контролем (0,127 г/растение). Ингибирование растений, при котором масса снижалась в 1,4 раза, или была на уровне контроля отмечали при бактеризации штаммом с биомассой 0,0001 мг а.с.м./мл среды и количеством каротиноидов 2,5-4,4%, оптимальным запасом обеспеченности штамма Zn и Fe с потенциалом фотохимической активности хлорофилла А для Zn – 14–58%, для Fe – 2–91% в клетках, что выявлено у 1,5 и 7,0 месячных культур. Надземная биомасса растений имела тенденцию к увеличению / снижению или была на уровне контрольного варианта.
Заключение
Таким образом, при культивировании в искусственных средах метаболический потенциал фототрофных штаммов при бактеризации является решающим фактором стимулирующего / ингибирующего влияния на растение, что является важным для биотехнологии создания микробных препаратов стимуляторов роста и развития растений и гербицидного действия.
В мировой практике примеров использования микроорганизмов и их метаболитов для создания микробных препаратов удобрительного и биопротекторного действия насчитывают огромное множество, однако, для контроля численности сорной растительности таковых не более десятка [http://www.abercade.ru/research/analysis/15318.html, 2016; http://abercade.ru/research/industrynews/17077.html, 2017]. Например: Stumpout производится в ЮАР на основе Cylindrobasidium leave (Fr.) Read, применяется против акаций в древесных питомниках; Mallet WP производится в США и Канаде на основе Colletotrichum gloeosporioides f.sp. malvae против мальвы круглолистной Malva pusilla Linné в посевах пшеницы, льна и чечевицы; Camperico производится в Японии на основе Xanthomonas campestris pv. роае, применяется против мятлика однолетнего Роа annua Linné на площадках для гольфа [http://abercade.ru/research/reports/themeid_63.html, 2010, 2012]. В России в ФГБНУ ВИЗР проводятся исследования фитопатогенных грибов для борьбы с бодяком щетинистым, осотом полевым, борщевиком Сосновского [http://vizr.spb.ru/struktura-instituta/research/fitotoksikologii/, 2018]. В наших исследованиях использованы цианобактерии как потенциальные полифункциональные биоагенты препаратов биоудобрительного и гербицидного действия.
Целью данной работы было изучение функциональной организации альгобактериальных штаммов для разработки микробных препаратов стимулирующих и ингибирующих рост и развитие растений.
Материалы и методы исследований
Объектами исследования были: альгологически чистые штаммы цианобактерий Nostoc sphaeroides Kützing 4 (ACSSI 150) и Desmonostoc muscorum (C.Agardh ex Bornet et Flahault) Hrouzek et Ventura 1 (ACSSI 091) из Крымской коллекции микроорганизмов ФГБУН «НИИСХ Крыма» и реакция тест растений на бактеризацию в условиях лабораторного опыта.
Штаммы культивировали на рекомендованной для выращивания цианобактерий жидкой минеральной среде [http://utex.org/pages/algal-culture-media-recipes; Temraleeva et al., 2016] в течение года в условиях естественного освещения. Каждые полтора месяца у цианобактериальной культуры измеряли биомассу, рН, физиологические параметры (количество каротиноидов [Aakerant et al., 1992], каталазную активность [Грицаєнко и др. (Gritsaenko et al.), 2003]). Обеспеченность штаммов цианобактерий 14-тью микро- и макроэлементами питания в искусственных средах определяли фотометрически по фотохимической активности хлорофилла А [Плешков, Ягодин (Pleshkov, Yagodin), 1982] в сравнении с контролем – без добавления исследуемых элементов.
Эффективность бактеризации оценивали в лабораторном опыте на тест-растениях пшеницы Triticum aestivum Linné, которые выращивали в климатокамере в сосудах с перфорированным дном, объемом 200 мл на стерильном субстрате – вермикулите (минерал класса алюмосиликатов, слюдяная крошка фракции 1-5 мм), удобренном питательной смесью Д.Н.Прянишникова [Волкогон и др. (Volkogon et al.), 2010]. Для выявления влияния на рост и развитие растений инокулировали проростки по 10 мл штаммом цианобактерий (0,02 мг абсолютно сухой массы (а.с.м.)/мл среды) разного возраста в сравнении с контролем (обработка водой). Эффективность бактеризации оценивали по накоплению фитомассы (надземной и корневой) ювенильных (двухнедельных) растений. Повторность опыта шестикратная.
Для выявления достоверности результатов исследования, функциональных зависимостей между различными факторами и процессами использовали дисперсионный, корреляционный и многомерный разведочный анализ с использованием программ Excel и Statistica 7.
Результаты и их обсуждение
Установлены корреляционные связи в системе «фотохимическая активность хлорофилла А штамма N. sphaeroides 4 – продуктивность растений пшеницы». Показано, что данный штамм в процессе культивирования в искусственных средах обладает разной фотохимической активностью хлорофилла А по отношению к 14-ти макро- и микроэлементам, из которых цинк и железо влияли на эффективность растительно-микробного взаимодействия. Фитомасса бактеризованных растений зависела от уровня элементов питания штамма Zn (r = 0,51; r = 0,57) и Fe (r = 0,52; r = 0,66) в искусственных средах. Гербицидное влияние штамма на рост и развитие тест растений выявлено при бактеризации с оптимальным запасом обеспеченности штамма Zn и Fe в процессе культивирования с потенциалом фотохимической активности хлорофилла для Zn – 14–58%, для Fe – 2–91%.
Эффективность бактеризации штаммом цианобактерий N. sphaeroides 4 имела высокую обратную корреляцию с каталазной активностью ностока и массой корней (r = -0,85; -0,82). Гербицидный эффект на растения, у которых корневая масса снижалась в 1,1-1,3 раза в сравнении с контролем (0,127 г/растение), наблюдали при бактеризации штаммом цианобактерий N. sphaeroides 4, характеризующимся в культуре каталазной активностью с диапазоном 69,1-63,8 мкмоль Н2О2/г/мин, что отмечалось при культивировании в искусственной среде через 4,5-6,0 месяцев.
Ростостимулирующий эффект на растения, при котором корневая масса увеличивалась в 1,4-1,7 раза, отмечен при бактеризации штаммом N. sphaeroides 4, полученным с недостатком питания в культуре Fe – 31,5% (с активностью хлорофилла А 94,0%) и Zn – 226,7 % (с активностью хлорофилла А 22%), а также с каталазной активностью – 32 мкмоль Н2О2/г/мин через 1,5 месяца культивирования, при этом надземная масса растений была на уровне контроля (0,281 г/растение).
Установлены корреляционные связи показателей в системе «физиолого-биохимический потенциал штамма D. muscorum 1 – продуктивность растений пшеницы». Масса корней растений коррелировала с накоплением биомассы клеток штамма (r=0,77) и имела обратную корреляцию с количеством каротиноидов (r=–0,95). Увеличение корневой массы растений в 1,1 раза выявлено при бактеризации 9,0 месячной культурой штамма с биомассой 0,003-0,004 мг а.с.м./мл среды и минимальным количеством каротиноидов в клетках (0,05-0,1%) в сравнении с контролем (0,127 г/растение). Ингибирование растений, при котором масса снижалась в 1,4 раза, или была на уровне контроля отмечали при бактеризации штаммом с биомассой 0,0001 мг а.с.м./мл среды и количеством каротиноидов 2,5-4,4%, оптимальным запасом обеспеченности штамма Zn и Fe с потенциалом фотохимической активности хлорофилла А для Zn – 14–58%, для Fe – 2–91% в клетках, что выявлено у 1,5 и 7,0 месячных культур. Надземная биомасса растений имела тенденцию к увеличению / снижению или была на уровне контрольного варианта.
Заключение
Таким образом, при культивировании в искусственных средах метаболический потенциал фототрофных штаммов при бактеризации является решающим фактором стимулирующего / ингибирующего влияния на растение, что является важным для биотехнологии создания микробных препаратов стимуляторов роста и развития растений и гербицидного действия.
- Грицаєнко З.М., Грицаєнко А.О., Карпенко В.П. Методи біологічних і агрохімічних досліджень рослин і ґрунтів. К.: ЗАТ «НІЧЛВА», 2003. 320 с. @@ Gritsaenko Z.M., Gritsaenko A.O., Karpenko V.P. Methods biological and chemical studies of plants and soils. K.: ZAT "NICHLVA", 2003. 320 p. (In Ukrainian)
- Експериментальна ґрунтова мікробіологія. В.В.Волкогон, О.В.Надкернична, Л.М.Токмакова та ін.; за ред.. В.В.Вокогона. К.: Аграрна наука, 2010. 464 с. @@ V.V.Volkogon (ed.) Experimental Soil Microbiology. K.: Agricultural science, 2010. 464 p. (In Ukrainian)
- Плешков А.С., Ягодин Б.А. Способ обеспечения растений минеральными элементами. А.С. 952168 СССР, М. Кл.3 А01G 31/02. №2970658/30-15, заявл. 31.07.80, опубл. 23.08.82, Бюл. №31. @@ Pleshkov A.S., Yagodin B.A. Method for providing plants with mineral elements. Inventors Certificate. 952168 of the USSR, M. Cl3. А01G 31/02. / No. 2970658/30-15, Appl. 31.07.80, publ. 23.08.82, bull. No. 31. (In Russian)
- Aakerant T., Skulberg O.M., Liaaen-Jensen S.A. Comparison of the Carotenoids of Strains of Oscilatiria and Spirullina (Cyanobacteria). Biochemical Systematics and Ecology. 1992 V. 20(8). Р. 761-769.
- Algal Culture Media Recipes. http://utex.org/pages/algal-culture-media-recipes, 2015.
- Temraleeva A. D., Dronova S. A., Moskalenko S. V., Didovich S.V. Modern methods for isilation, purification, and cultivation of soil cyanobacteria. Microbiology (Microbiologiya). 2016. V.85(4). Р.389-399. DOI:10.1134/S0026261716040159