Бульбочкові бактерії сої

Однією з головних зернобобових культур світу є соя. Останнім часом спостерігається стабільна тенденція до збільшення її посівів і в Україні. Починаючи з 2000 р. площі під соєю зросли більш ніж у 32 рази.

Здатність бобових рослин нагромаджувати значну кількість білка в урожаї тісно пов’язана з їхньою унікальною особливістю формувати симбіоз із бульбочковими бактеріями. Бульбочкові бактерії (ризобії) — це досить численна група ґрунтових мікроорганізмів, здатних проникати в кореневі волоски бобових рослин і формувати нові органи — бульбочки (рис. 1 а, б), в яких відбувається фіксація молекулярного азоту з атмосфери. Завдяки здатності ризобій фіксувати азот, поліпшувати рослинне живлення, синтезувати біологічно активні речовини, впливати на стійкість рослин до патогенів і абіотичних стресів, їх широко використовують для створення мікробних препаратів.

Науковці довели, що накопичення біологічного азоту соєю відбувається лише за наявності в ґрунті симбіотично активних бульбочкових бактерій. Якщо ж цих мікросимбіонтів немає, то це спричиняє зміну екологічної функції сої: вона з культури, яка акумулює фіксований азот атмосфери, перетворюється на культуру, що використовує ґрунтовий азот.

Слід зазначити, що в ґрунтах України немає аборигенних бульбочкових бактерій сої, оскільки дика соя та інші бобові з групи рослин, які перехресно інфікуються (вігна, маш) у природних фітоценозах не трапляються. Формування ж місцевих популяцій ризобій сої почалося порівняно недавно, з моменту інтенсивного впровадження цієї культури в сівозміни та використання біопрепаратів на основі специфічних мікроорганізмів. Дослідження особливостей формування і функціонування популяцій бульбочкових бактерій сої в різних регіонах України дуже важливі для розуміння процесів, що відбуваються в мікробних ценозах ґрунту за інтродукції цієї культури, а також для розробки оптимальної стратегії застосування біопрепаратів. У зв’язку з цим основну увагу ми приділили вивченню мікросимбіонтів сої (бульбочкових бактерій виду Bradyrhizobium japonicum), а саме — поширенню та приживаності їх в агроценозах.

Дослідження проводили в Центральному, Північному та Східному Лісостепу, на Поліссі та в Південному Степу України. Регіони, де сою вирощують у сівозмінах понад 20 років, були умовно названі традиційними, а де цю культуру лише починають впроваджувати, — новими районами соєсіяння. У кожному з господарств досліджували поля, які різнилися тривалістю вирощування сої, внесенням біопрепаратів і були розміщені на різних відстанях одне від одного.

У результаті проведених досліджень установлено, що ризобії сої трапляються в усіх обстежених регіонах. Однак популяції цих мікроорганізмів розміщені нерівномірно, а їхні розміри варіюють у досить широких межах — від десятків до десятків тисяч бактеріальних клітин на 1 г ґрунту (рис. 2). У жодному з регіонів не спостерігалося суцільного поширення бульбочкових бактерій сої.

Виявлено, що на полях, де сою ніколи не вирощували, бульбочкових бактерій Bradyrhizobium japonicum немає. Поодинокі особини цього виду мікроорганізмів (2–13 клітин/г ґрунту) трапляються в ґрунтах полів, суміжних із посівами сої.

У 83% полів, на яких сою висівали вперше насінням без інокуляції, ризобій сої ми також не виявили. Внесення бульбочкових бактерій сої з біопрепаратом у перший же рік вирощування культури сприяло формуванню різних за щільністю популяцій ризобій — від 20 клітин/г ґрунту в дерново-підзолистому грунті Полісся (дослідні поля Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН) до 3500 клітин/г ґрунту в чорноземному грунті Північного Лісостепу (Носівська селекційно-дослідна станція Миронівського інституту пшениці ім. В.М. Ремесла НААН). Великі за розмірами популяції виявлені в ґрунтах полів, де сою вирощують регулярно та періодично використовують біопрепарати.

Порівняльний аналіз щільності популяцій свідчить, що найчисленніші стабільні популяції сформувалися за тривалого вирощування сої в сірому лісовому ґрунті Центрального Лісостепу (Інститут кормів та сільського господарства Поділля НААН), дещо менші — в чорноземах Північного Лісостепу та Південного Степу (ННЦ «Інститут землеробства » НААН та Інститут сільського господарства Криму НААН відповідно). Зважаючи на те, що ризобії можуть існувати в ґрунті у вільному стані та вступати у симбіотичні відносини із соєю, особливу увагу було приділено вивченню просторового розміщення популяцій бульбочкових бактерій.

Установлено, що розміщення популяцій бульбочкових бактерій сої в ґрунтах як традиційних, так і нових районів вирощування сої є локальним. У межах одного господарства трапляються ділянки з різною щільністю місцевої популяції ризобій, а також поля, де бульбочкових бактерій сої взагалі немає. Кожна популяція має досить чіткі межі свого існування й за тривалий час вирощування сої в сівозмінах не відбувається масового розселення бульбочкових бактерій сої на нові території.

Локальне розміщення бульбочкових бактерій сої на території України тісно пов’язане з наявністю рослини-господаря, яка виступає в ролі екологічного фактора, що сприяє їхньому накопиченню в ґрунті. Слід зазначити, що на сьогодні недостатньо вивчені шляхи природного поширення бульбочкових бактерій сої на нові території. Вважається, що вони можуть переноситися з насінням, пилом, дощем та ін.

Дослідження, проведені в польових умовах, свідчать, що, попри низку факторів, які можуть сприяти поширенню ризобій, у ґрунтах суміжних із соєю полів бульбочкових бактерій зазвичай немає. У Центральному Лісостепу на полях Інституту кормів та сільського господарства Поділля НААН відмічено їхнє перенесення з часточками ґрунту на незначні відстані — до 50 м (рис. 3). За вирощування на суміжному полі неінокульованої сої кількість бульбочок на коренях рослин поступово зменшувалася в міру віддалення від «джерела інфікування» (7→2→0 одиниць/ рослину).

Наведений приклад добре ілюструє, що механічне перенесення бульбочкових бактерій сої досить обмежене в просторі й не може сприяти активному поширенню їх на нові території. Тож, оскільки в агроценозах аборигенних бульбочкових бактерій сої немає, а для місцевих популяцій характерний локальний характер розміщення, для забезпечення рослин сої біологічним азотом і отримання високих і стабільних урожаїв важливо використовувати препарати на основі активних штамів специфічних ризобій. Пошук нових високоефективних штамів бульбочкових бактерій сої, здатних витримувати конкуренцію з представниками місцевих популяцій, стає важливою проблемою сьогодення.

У перебігу вивчення популяцій мікросимбіонтів сої в ґрунтах України ми виявили, що вони представлені двома групами штамів: із повільним і інтенсивним ростом, які суттєво різняться морфолого-культуральними, серологічними та генетичними властивостями. Методом аналітичної селекції отримано високоефективні штами бульбочкових бактерій сої з повільним (B. japonicum 46) та інтенсивним (B. japonicum КВ11) ростом (рис. 4).

Повільнорослий штам B. japonicum 46 є активним симбіотичним азотфіксатором, спроможним колонізувати кореневу систему сої за наявності в ґрунті різних за щільністю популяцій ризобій сої. Він сприяє інтенсифікації процесу хлоропластогенезу, підвищенню стійкості рослин до бактеріальних і грибних хвороб.

Штам B. japonicum КВ11 також відповідає критеріям виробничих штамів: він є активним симбіотичним азотфіксатором та має інтенсивне зростання, що характеризує його як технологічний штам. Також він має підвищену здатність до виживання в ґрунті, тобто штам більше пристосований до різних ґрунтово- кліматичних умов України та жорсткої внутрішньовидової конкуренції між представниками місцевих популяцій специфічних ризобій. Притаманна інтенсивнорослим бульбочковим бактеріям сої властивість краще приживатися в ґрунті може бути використана на практиці для розробки нових мікробних препаратів із широким спектром корисної дії.

Варто зазначити, що перелік біозасобів для рослинництва за останні десятиліття значно розширився і включає препарати, створені на основі мікроорганізмів різних функціональних груп, а також препарати бінарної дії, одержані в результаті поєднання декількох мікроорганізмів. На сьогодні експериментально доведено значний стимулювальний вплив змішаних культур мікроорганізмів на ріст і розвиток рослин. Порівняно з чистими культурами діазотрофів, консорціуми мікроорганізмів характеризуються підвищеною ефективністю і стабільністю дії на рослини, що зумовлює перспективність їхнього використання у сільськогосподарській практиці.

Можливість застосування у біопрепаратах декількох штамів бульбочкових бактерій, які належать до одного виду, вивчена недостатньо. На нашу думку, застосування для інокуляція насіння сої декількох високоефективних штамів бульбочкових бактерій сої з різною стратегією виживання в ґрунті може сприяти не лише підвищенню врожайності культури, а й формуванню в ґрунтовому середовищі стабільної активної популяції специфічних ризобій. На основі проведених досліджень ми створили бінарну композицію бульбочкових бактерій сої, яка складається з двох високоефективних штамів із різною швидкістю росту: повільнорослого B. japonicum 46 та інтенсивнорослого B. japonicum КВ11.

Принцип роботи бінарної композиції B. japonicum 46 + B. japonicum КВ11 базується на синергічному ефекті активних штамів із різною швидкістю росту. Кожен із цих штамів характеризується комплексом цінних властивостей і у функціональному відношенні вони взаємодоповнюють та підсилюють дію один одного.

Ефективність запропонованої бінарної композиції штамів бульбочкових бактерій сої перевіряли в польових дослідах у ґрунтово-кліматичних умовах Полісся України (дослідні поля Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН). У перебігу досліджень установлено, що за використання бінарної композиції штамів B. japonicum 46 + B. japonicum КВ11 достовірно збільшувалась кількість бульбочок та їхня маса порівняно із застосуванням лише одного повільно- чи інтенсивнорослого штаму ризобій.

Також за умов спільної інокуляції бульбочковими бактеріями спостерігали активну фіксацію молекулярного азоту (рис. 5). На зрізі кореневі бульбочки мали червоне забарвлення, що свідчить про активну фіксацію молекулярного азоту за участі штамів-інокулянтів. Нітрогеназна активність кореневих бульбочок була достовірно більшою, порівняно із моно інокуляцією, в 1,2–2,3 рази.

Як видно з даних табл. 1, за умов спільної обробки насіння сої штамами бульбочкових бактерій композицією із повільним і інтенсивним ростом (B. japonicum 46 + B. japonicum КВ11) формувалась найефективніша симбіотична система порівняно із моноінокуляцією. На фоні місцевої популяції ризобій сої бінарна композиція штамів B. japonicum сприяла збільшенню врожайності сої в середньому за два роки на 34% порівняно з контролем (без інокуляції).

Ефективність розробленого в Інституті біопрепарату Ризогуміну на основі бінарної композиції штамів B. japonicum перевіряли у виробничих умовах. Дані, наведені в табл. 2, свідчать, що бактеризація насіння сої сорту КиВін за вирощування культури в зоні Центрального Лісостепу України сприяла підвищенню продуктивності на 35% порівняно з контролем.

Окрім позитивного впливу на врожайність сої, використання бінарної композиції штамів B. japonicum з різною швидкістю росту та стратегією виживання в ґрунті сприяє формуванню місцевої популяції специфічних мікроорганізмів. Цю популяцію можна вважати страховою, оскільки вона забезпечуватиме формування активного симбіозу в роки, несприятливі для інтродукції та функціонування штамів-інокулянтів.

Д. Крутило, канд. біол. наук, старш. наук. співробітник, Інститут сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН

Журнал «Пропозиція», №5, 2020 р.