Чинники існування симбіозу b. japonicum — соя

автор:
Що таке симбіоз бульбочкових бактерій та сої? Поняття чи явище, яким науковці лякають виробничників, через що виникає велика стіна у спілкуванні між ними: науковцям болить, бо їхні знання не сприйняті, аграрії ж потребують конретних практичних відповідей на свої запитання. То що ж таке симбіоз і які насправді чинники впливають на його виникнення?

Симбіоз — біологічна система, утворена бобовими рослинами та бульбочковими бактеріями, результатом взаємодії яких є утворення нових морфологічних структур — кореневих бульбочок. Останні перетворюють атмосферний азот на доступну для рослин форму — цей процес складний, багатоступеневий, що викликає глибокі фізіологічні та метаболічні зміни в обох партнерів.

Одним із найважливіших чинників виникнення симбіозу є наявність у ризосфері рослин бульбочкових бактерій. Що це за мікроорганізми? Бульбочкові азотфіксуючі бактерії, або ризобії, — це ґрунтові мікроорганізми, що здатні здійснювати процес біологічної фіксації азоту. Першу класифікацію ризобій розробили ще в 30-х роках минулого століття, вона ґрунтувалась на здатності мікроорганізмів вступати в симбіотичні стосунки з рослиною-господарем. Тоді було виділено лише шість видів — Rhizobium meliloti, R. trifolii, R. phaseoli, R.lupini, R. leguminosarum, R. japonicum. П’ятдесят років потому систематику цих мікроорганізмів переглянули та за низкою генетичних і морфо-фізіологічних властивостей відокремили новий рід ризобій — Bradyrhizobium, характерною особливістю якого була низька швидкість росту. Саме представники цього виду є мікросимбіонтами лише рослин сої.

Останній, своєю чергою, поділявся на три види бактерій: Bradyrhizobium japonicum, B. elkanii, B. liaoningense.

Активне використання інокулянтів під час вирощування сої в різних країнах світу, в тому числі і в Україні, зумовили формування в ґрунтах популяцій ризобій, які внаслідок вільного існування та впливу різноманітних абіотичних чинників змінили свій генотип та набули нових властивостей.

Так, за даними молекулярно-генетичних досліджень, серед них виділяють декілька груп штамів, що різняться своїми властивостями, в тому числі й швидкістю росту. Сьогодні описано ізоляти з інтенсивним ростом, які можуть нарощувати біомасу, на відміну від класичних представників, уже через дві, а не три з половиною доби. Ще однією особливістю таких штамів є підвищена сапрофітна компетентність, тобто здатність бактерій виживати в ґрунті поза організмом рослини-господаря, та встановлений факт домінування цих штамів у бульбочці.

Колекція агрономічно корисних ізолятів Інституту агроекології і природокористування НААН нараховує 72 представники бактерій роду Bradyrhizobium, серед яких є штами, що, крім властивостей, які класично досліджують учені-мікробіологи (азотфіксувальна активність, вірулентність, конкурентоздатність тощо), характеризуються й такими, яким зазвичай приділяють менше уваги. Зокрема, помічено, що обробка насіння сої деякими ізолятами, крім формування бульбочок, сприяла поліпшенню розвитку кореневої системи: відбувалося збільшення її довжини та маси, також зростала площа питомої поверхні коренів. Також відзначили вплив інокуляції на розвиток захворювань рослин сої як бактеріального, так і грибного походження. Ще одним цікавим фактом є те, що рослини, інокульовані групою штамів Bradyrhizobium зі сформованим симбіотичним апаратом, краще витримували умови пестицидного стресу, а також посуху та кислотність ґрунту.

Хоча більшість штамів Bradyrhizobium не приживається в ґрунті й елімінується вже наступного вегетаційного періоду, в нашій колекції є ізоляти, що здатні не тільки формувати щільну популяцію, а й виявляються в достатній кількості протягом тривалого проміжку часу, в лабораторних умовах вирізняються інтенсивністю росту, на одну-півтори доби випереджаючи класичні штами соєвих ризобій.

Завдяки перевірці сотень комбінацій із різних ізолятів нам удалося створити ефективну композицію, що не лише володіє всіма характерними для інокулянту корисними властивостями, а й має низку специфічних — наприклад, значний синергічний ефект між біоагентами.


Рис 1. Синергічний ефект між біоагентами

Перш ніж перейти до розгляду конкретних факторів, що впливають наутворення симбіозу, слід наголосити на тому, що формування та функціонування симбіотичних взаємодій між рослинами сої та азотфіксуючими бактеріями, — процес двосторонній. Тож дію будь-якого зовнішнього чинника слід розглядати не лише з позиції впливу на бактерії, як це роблять зараз виробничники та багато науковців, а комплексно, тобто за впливом на обох учасників симбіозу.

Важливим чинником формування симбіотичних стосунків є генотип рослини.

Саме він зумовлює початок утворення бульбочок, відповідає за їхні кількість та розмір.

Ведення селекції тільки за інтенсивним типом (отримання вищих показників урожайності, вмісту білка, олійності) без урахування таких адаптивних властивостей, як здатність до симбіозу, стійкість до високих температур, кислотності ґрунту тощо, призводить до спрямованого добору в агробіоценозі. Наслідком цього є поява стійких рас бур’янів, а це, своєю чергою, зумовлює прогресуючу потребу внесення гербіцидів. Крім цього, зростає чисельність та негативний вплив шкідників і фітопатогенів, до того ж з’являються види, які раніше не були характерними для агроценозів, зокрема сої. Звісно, це потребує внесення великої кількості інсектицидів, акарицидів, фунгіцидів. Тому для створення високоефективного симбіозу потрібна постійна селекція та поновлення як сортів рослин, так і штамів мікроорганізмів, заснована на принципах їхньої комплементарності.


Рис 2. Приклади утворення симбіозу ризобій та бобових рослин

Ще одним елементом спрямованого добору є застосування речовин, що відповідають за процес утворення бульбочок, цим самим спричинюючи зниження активності сортів до самостійного продукування сигнальних речовин, зокрема флавоноїдів, а у ризобій — відповідних сигналів, як-от Nod-фактор, що «повідомляє» рослиніпро наявність цих бактерій у прикореневій зоні ґрунту. Після цього рослина утворює кореневі бульбочки, де й «поселяються» бактерії, які живляться її поживними речовинами та віддячують тим, що перетворюють азот на форму, доступну для споживання культурою.

Створення та існування симбіозу передбачає покрокову участь кожного з партнерів, але використання спеціальних «допоміжних» речовин може призвести до порушення програми, що закладена природою й успішно функціонувала десятки, навіть сотні тисяч років.

З економічної точки зору ми стаємо заручниками таких технологій, оскільки можемо втратити генотипи як рослин, так і мікроорганізмів, що здатні самостійно створювати ефективний симбіоз.

Важливим чинником, який потрібно розглядати з позиції обох партнерів симбіозу, є кислотність ґрунту. Деякі виробники припускаються хибної думки, що сою не можна вирощувати на ґрунтах із рН менш як 5–5,5, оскільки бульбочкові бактерії за такої кислотності «непрацюють». Однак сучасні дослідження говорять протилежне: на різних типах ґрунтів з бульбочок бобових рослин виділяють ризобії, толерантні як до сильнокислих (3), так і до лужних (8,5) значень рН грунту. Це пояснюється тим, що здатність у бактерій пристосовуватись до умов навколишнього середовища, як правило, вища, ніж у рослин, тому й діапазон їхнього існування значно ширший.

Що ж насправді відбувається?

У ґрунтах із рН менш як 5,5 сполуки алюмінію гідролізуються з утворенням токсичної форми алюмінію тривалентного, висока концентрація якого є основним стримуючим фактором життєздатності всіх рослин у 67% ґрунтів. Токсична дія полягає у пригніченні поділу клітин коренів, їхньому подовженні та зменшенні доступності макроелементів.


Рис 3. Активні бульбочки на коренях сої

Низькі значення рН ґрунту згубно впливають не стільки на ризобій, скільки на проникність мембран рослинних клітин, унаслідок чого бактерії не можуть проникнути всередину. Для бульбочок рН-чутливим періодом є початок інфекційного процесу, причому найуразливішим є етап прикріплення ризобій до кореневих волосків. Порушується обмін сигналами між рослиною-господарем і мікросимбіонтом. Відбувається зниження секреції рослинами флавоноїдів, що впливає на синтез відповідних сигналів бактерій. Зниження сигналінгу призводить до блокування таких фаз, як деформація кореневого волоска та його скручування.

Як рослини, так і ризобії уразливі до високих температур на початкових етапах онтогенезу та встановлення симбіозу. Надалі навіть за високих температур, 30…35°С, процес утворення бульбочок продовжується. Проте азотфіксація за таких умов не відбувається. Рослини живляться переважно завдяки споживанню мінерального азоту, саме тому його наявність у ґрунті у фізіологічному оптимумі забезпечить формування високого врожаю рослин сої. Особливої уваги та ефективності набувають за таких умов позакореневі підживлення рослин сої невисокими дозами азоту.


Рис 4. Висока концетрація алюмінію тривалентного у кислих ґрунтах — основний стримуючий фактор життєздатності всіх рослин

Ризобії, що містяться в ґрунті, здебільшого стійкі до короткотривалих періодів посухи. Нестача вологи ненегативно впливає насамперед на рослинний організм. Несприятлива дія проявляється в порушенні процесів фотосинтезу, що зумовлює дефіцит вуглеводів. Запускаються механізми збереження, й усі поживні елементи витрачаються на побудову та розвиток кореневої системи, а саме нових корінців для «пошуку» води.

Таким чином нестача вуглеводів у рослині знижує активність рівня азотфіксації, що спричиняє некротичні процеси у бульбочках. Після нормалізації водного обміну в рослині, яка піддалась упливу стресу від посухи, старі бульбочки вже не відновлюють своїх функцій. Водночас на периферійних корінцях кореневої системи утворюються нові, дрібніші, бульбочки, рівень фіксації азоту яких значно нижчий, ніж тих, що втратили життєздатність.

Ще одним чинником впливу на процес симбіозу, який, до речі, зумовлює найбільші дискусії, є застосування пестицидів. Учені нашого Інституту дослідили низку пестицидів щодо їхнього впливу на ризобії, процес утворення та функціонування симбіозу та в цілому на рослини сої.

Так, наприклад, гербіциди на основі гліфосату загалом не впливають на самі бактерії. Їхнє пригнічення відбувається лише за високих концентрацій діючої речовини, проте спостерігається гальмування нітрогеназної активності, особливо за нестачі вологи.

Біоагенти препарату Ризоактив були толерантними до пестицидів на основі ацетохлору, проте відмічали незначне зниження кількості бульбочок, що, втім, не позначалось на продуктивності рослин.

Висновок

Однозначні висновки щодо негативного впливу пестицидів на симбіоз зробити важко, оскільки за одних умов згубна дія спостерігається, за інших — зовсім не проявляється. Для впевненості ми пропонуємо перевірку кожного препарату, який ви плануєте використовувати в технологіях вирощування сої, в нашій акредитованій лабораторії.

У цій статті ми висвітлили тему симбіозу бульбочкових бактерій та рослин сої, оскільки саме її розкриття дає відповіді на запитання, які неодноразово звучали в процесі спілкування та активної співпраці з виробниками на семінарах, у дослідницьких експедиціях та безпосередньо на полях наших клієнтів. Сподіваємося, що отримані знання стануть агровиробникам у пригоді під час вирощування сої і сприятимуть одержанню високих та сталих урожаїв.

Поделиться: