Виживання штамів бульбочкових бактерій сої

Завдяки здатності до формування азотфіксувальних бульбочок, ризобії широко використовуються у біотехнології сільського господарства як біоагенти мікробних препаратів. Ефективність таких біопрепаратів тісно пов’язана з успішною інтродукцією азотфіксувальних бактерій у кореневу зону рослин та їхнім виживанням у ґрунті (рис. 1).

Застосування біопрепаратів на основі активних штамів бульбочкових бактерій під час вирощування бобових культур забезпечує підвищення їхньої врожайності, а також сприяє формуванню в ґрунті місцевих популяцій специфічних ризобій. Щільність ґрунтових популяцій може бути висока протягом тривалого часу, а може й істотно знижуватись у результаті негативного впливу абіотичних і біотичних чинників. Недостатня кількість цих мікроорганізмів у зоні проростання насіння часто призводить до того, що потенціал симбіозу бобових рослин із бульбочковими бактеріями не використовується повною мірою.

За регулярної циркуляції мікросимбіонтів між екологічними нішами (ґрунт-бульбочки-ґрунт) у ґрунтових популяціях бульбочкових бактерій відбуваються глибокі та закономірні зміни їхніх структур. У результаті таких змін, а також унаслідок використання в технологіях вирощування бобових культур засобів захисту рослин, гербіцидів і великих доз мінеральних добрив в агроценозах можуть сформуватися ризобії з низькою азотфіксувальною активністю, які утворюють неактивні бульбочки (рис. 2). Деякі штами взагалі можуть втрачати здатність до інфікування рослин-господарів і тривалий час існувати в ґрунті як сапрофітні мікроорганізми.

У лабораторії рослинно-мікробних взаємодій Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН (ІСМАВ НААН) значну увагу приділяють вивченню поширення та формування популяцій бульбочкових бактерій сої (Bradyrhizobium japonicum) у ґрунтах України.

У результаті проведених досліджень було показано, що популяції ризобій сої в агроценозах країни поширені нерівномірно. Вони різняться за щільністю, яка тісно пов’язана з інтенсивністю вирощування рослини-господаря та використанням біопрепаратів на основі специфічних мікроорганізмів. Установлено, що мікросимбіонти сої представлені штамами з повільним та інтенсивним ростом, які належать до різних генетичних груп. Методом аналітичної селекції отримано нові високоефективні штами з повільним (B. japonicum 46) та інтенсивним (B. japonicum КВ11) ростом. На рис. 3 добре видно, що інтенсивно рослий штам утворює на поживному середовищі (на чашках Петрі) більші за розміром колонії, порівняно з повільнорослим штамом, та продукує більше екзополісахаридів. Повільнорослі ризобії є традиційною основою біопрепаратів для сої, а інтенсивнорослі бульбочкові бактерії — це нова група селекціонованих нами штамів B. japonicum.

Слід зазначити, що для раціонального використання можливостей бобово-ризобіального симбіозу варто звертати увагу не лише на ефективність штамів, але й знати, за яких умов штами-інокулянти виживають у ґрунті, успішно колонізують кореневу систему рослин і тривалий час зберігають симбіотичну активність. Попри досить глибоке вивчення рослинно-мікробних взаємодій, досі ще немає детальних відомостей щодо виживання ризобій сої в агроценозах України.

З урахуванням вищесказаного ми оцінили здатність інтродукованих штамів B. japonicum виживати в ґрунті. Дослідження проводили в зоні Полісся України на різних типах ґрунтів — дерново-підзолистому та чорноземі вилугуваному (поля Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН, Чернігів). Важливо було порівняти поведінку інтродукованих штамів за періодичного та беззмінного вирощування сої.

На першому етапі роботи досліджували популяцію ризобій сої у дерново-підзолистому ґрунті. Ця популяція була сформована в процесі вирощування сої, інокульованої штамами з різною швидкістю росту (інтенсивнорослим — B. japonicum КВ11 та повільнорослими B. japonicum 46, B. Japonicum М8 і B. japonicum 634б). Восени після відмирання бульбочок та навесні поле переорювали, забезпечуючи рівномірний розподіл ризобій у ґрунті. Три роки поспіль до початку досліджень на цьому полі сою не висівали. Протягом наступних шести років (впродовж четвертого-дев’ятого років після формування популяції) на різних ділянках поля вирощували неінокульовану сою та визначали частку штамів B. Japonicum у бульбочках (серологічний метод із використанням специфічних анти сироваток до інтродукованих штамів). Наявність певного штаму в бульбочках опосередковано свідчила про наявність його в ґрунті.

Аналіз бульбочок сої сорту Устя показав, що їх сформували раніше інтродуковані в агроценоз штами бульбочкових бактерій B. japonicum КВ11, B. japonicum 46, B. japonicum М8, а також не ідентифіковані ризобії (табл. 1). Переважну кількість бульбочок (74,7% у середньому за шість років) формували бульбочкові бактерії сої з інтенсивним ростом — B. japonicum КВ11. Від 5,2% до 31,3% бульбочок було утворено за участі неідентифікованих ризобій сої. Бульбочкові бактерії B. japonicum 46 виявлені у 4,2–10,4% бульбочок. Штам B. Japonicum М8 інфікував рослини сої лише в окремі роки, і його частка в бульбочках була незначна — лише 2,1–5,2%. Протягом шести років на коренях сої не виявлено бульбочок, утворених штамом B. japonicum 634б.

Отже, інтродуковані в агроценоз сої штами B. japonicum із повільним і інтенсивним ростом зберігаються в ґрунті тривалий час. Вони займають свою екологічну нішу в місцевому ризобіальному угрупованні, але мають різні стратегії існування ex planta та in planta. З часом співвідношення досліджуваних штамів у бульбочкових популяціях сої суттєво змінюється: від наявності незначної кількості повільно рослих штамів у бульбочках до домінування штаму з інтенсивним ростом B. japonicum КВ11.

На другому етапі роботи ми вивчали виживаність штамів B. japonicum у чорноземі вилугуваному. Польові досліди закладали на ділянці, де сою раніше не вирощували й місцевих специфічних ризобій у ґрунті не було.

У перший рік досліджень насіння сої сорту Устя інокулювали штамами ризобій сої з інтенсивним (B. japonicum КВ11) і повільним (B. japonicum 46, B. japonicum М8, B. japonicum 634б) ростом. Восени та навесні поле переорювали для рівномірного розподілу інтродукованих штамів ризобій у ґрунті. У наступні після інтродукції бактерій роки на цьому полі вирощували неінокульовану сою в монокультурі.

На коренях рослин контрольного варіанту (без інокуляції) бульбочки не утворювались — це підтверджує факт, що місцевої популяції ризобій сої в ґрунті не було. Всі досліджувані штами-інокулянти B. Japonicum формували повноцінний азотфіксувальний симбіоз із соєю. На коренях рослин вони утворювали значну кількість бульбочок, нітрогеназна активність яких коливалась у межах від 15 до 33 мкг N/рослину за годину. Серологічний аналіз засвідчив, що в кожному з варіантів досліду бульбочки формувались виключно штамами-інокулянтами (100%): B. japonicum КВ11, B. japonicum 46, B. Japonicum М8 та B. japonicum 634б.

Протягом наступних років (із другого по четвертий рік проведення дослідження) ми вели моніторинг інтродукованих у ґрунт штамів B. japonicum. З цією метою на дослідному полі вирощували неінокульовану сою, оцінювали здатність утворювати бульбочки та активність бульбочкових бактерій, які ставали частиною ризобіального ценозу.

На другий рік експерименту на коренях сої утворювалась значна кількість бульбочок (28 од. на рослину) з високою нітрогеназною активністю (30 мкг N/рослину за годину), що свідчить про формування в ґрунті місцевої популяції ризобій. Серологічне вивчення бульбочок показало, що всі інтродуковані штами інфікували сою, проте вони істотно різнилися своєю здатністю утворювати бульбочки. Домінуючим у бульбочках був штам з інтенсивним ростом B. japonicum КВ11 — він утворював 72% бульбочок. Значно менша кількість бульбочок (20%) була утворена штамом із повільним ростом B. japonicum 46. Решта штамів (B. japonicum М8 та B. Japonicum 634б) уже на другий рік вирощування сої ініціювала утворення лише 3–5% бульбочок.

На третій рік у бульбочках сої спостерігалось подальше зростання частки штаму B. japonicum КВ11 (92%) та зниження частки штаму B. japonicum 46 (до 8%). Штами B. japonicum М8 і B. japonicum 634б узагалі не інфікували сою — їх не виявлено в бульбочках.

Звертає на себе увагу той факт, що на четвертий рік досліджень лише інтенсивнорослий штам B. japonicum КВ11 був здатний колонізувати корені сої. Тобто за вирощування сої в монокультурі відбувалось поступове витіснення штамом з інтенсивним ростом повільнорослих ризобій B. japonicum 46, B. Japonicum М8 і B. japonicum 634б із бульбочок. Водночас фіксація молекулярного азоту у сформованих симбіотичних системах залишалась на високому рівні (12–30 мкг N/рослину за годину), хоч і варіювала за роками досліджень. На нашу думку, така активність штаму з інтенсивним ростом B. japonicum КВ11 пов’язана з його сапрофітними та симбіотичними властивостями. Це допомагає зазначеному штаму підтримувати протягом тривалого часу екологічно значущу щільність популяції та успішно конкурувати з іншими представниками цього виду мікроорганізмів.

Слід зазначити, що підвищена виживаність інтенсивнорослих бульбочкових бактерій сої в ґрунті може бути використана на практиці для розробки нових мікробних препаратів. До таких препаратів можуть входити декілька високоефективних штамів з різною виживаністю в ґрунті. На нашу думку, спільна інокуляція насіння сої двома штамами, комплементарними до різних генотипів, наявних у сорті, може сприяти підвищенню загальної ефективності симбіозу, а отже й урожайності сої.

Поєднання у біопрепараті Ризогумін двох штамів бульбочкових бактерій сої різних генетичних груп і подальша інтродукція їх у агроценоз сприяють рівномірнішому розподілу мікросимбіонтів у бульбочках порівняно з контрольним варіантом. Різкого домінування певних штамів у бульбочкових популяціях не спостерігається, а сформовані симбіотичні системи краще збалансовані.

У польових дослідах за інокуляції Ризогуміном на основі бінарної композиції штамів B. japonicum 46 + B. Japonicum КВ11 відбувається інтенсифікація процесів бульбочкоутворення, підвищується рівень симбіотичної азотфіксації та збільшується урожайність сої. Ефективним є використання Ризогуміну на основі бінарної композиції штамів B. japonicum у виробничих умовах у різних областях України. Дані, наведені на рис. 4, свідчать, що бактеризація насіння сої сприяла підвищенню її врожайності на 15–30% порівняно з контролем.

Д. Крутило, канд. біол. наук, старш. наук. співробітник,

Інститут сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН

Журнал «Пропозиція», №1, 2021 р.