Вплив бульбочкових бактерій на вирощування квасолі

Відомо, що всі бобові культури мають унікальну здатність тісно взаємодіяти з азотфіксувальними мікроорганізмами — бульбочковими бактеріями (ризобіями), утворюючи на коренях специфічні структури — бульбочки.

На зрізі вони мають червоний колір завдяки ферменту леггемоглобіну, який регулює надходження кисню та захищає від руйнування нітрогеназу — один із найскладніших природних ферментів. Саме цей фермент переводить недоступний для живих істот газоподібний азот у доступну форму іона амонію NH₄⁺. Завдяки такому взаємовигідному співіснуванню з бульбочковими бактеріями, яке називається симбіозом, бобові рослини повністю або частково забезпечують свої потреби в азоті. Біологічний азот може становити 30–60% загальної потреби рослин у цьому елементі.

Завдяки здатності до азотфіксації, бульбочкові бактерії розглядають як цінний генетичний ресурс для біотехнології сільського господарства. Масштаби щорічного виробництва мікробних препаратів для інокуляції бобових культур за площами посівів сягають сотень мільйонів гектарів.

У життєвому циклі бульбочкових бактерій умовно виділяють дві стадії. На першій (сапрофітній) стадії ризобії існують у ґрунті як звичайні мікроорганізми, які досить легко культивувати в лабораторних умовах. На другій (симбіотичній) стадії вони в бульбочках перетворюються на бактероїди, в яких відбувається фіксація азоту з повітря.

Здатність бульбочкових бактерій уступати в ефективні симбіотичні взаємовідносини з бобовими рослинами визначається такими властивостями ризобій, як: специфічність, вірулентність (нодуляційна здатність), конкурентоспроможність, висока азотфіксувальна активність, продукування біологічно активних речовин, які позитивно впливають на ріст і розвиток бобових рослин. Саме ці ознаки бульбочкових бактерій використовують як критерії під час відбору нових ефективних штамів.

Під специфічністю розуміють вибіркову здатність ризобій утворювати бульбочки на коренях бобових рослин певного роду або виду. Специфічність є генетично закріпленою ознакою ризобій, яка не змінюється під дією зовнішніх факторів. Бульбочкові бактерії суттєво розрізняються за цією властивістю: одні види ризобій (наприклад Rhizobium leguminosarum) мають широкий спектр рослин-господарів (горох, кормові боби, вика, сочевиця, чина), інші (наприклад R. galegae, Bradyrhizobium japonicum) характеризуються вузькою специфічністю — формують ефективний симбіоз лише з одним видом бобових рослин — козлятником, соєю відповідно.

Вірулентність — це здатність бульбочкових бактерій проникати в клітини кореня рослин, там розмножуватися та ініціювати формування бульбочок. Критерієм вірулентності є швидкість утворення бульбочок.

Конкурентоспроможність бульбочкових бактерій розглядають як здатність вірулентного штаму забезпечувати формування найбільшої кількості бульбочок на коренях бобової рослини за наявності інших вірулентних штамів. Критерій конкурентоспроможності — кількість бульбочок, утворених кожним із вірулентних штамів за їхнього одночасного застосування. Одержання шта­мів із високою конкурентоспроможністю є важливим напрямом сучасної селекції бульбочкових бактерій, оскільки низька ефективність біопрепаратів здебільшого пов’язана з нездатністю виробничих штамів конкурувати з ґрунтовою ризобіальною мікробіотою.

Азотфіксувальна активність бульбочкових бактерій — це здатність у симбіозі з бобовою рослиною фіксувати азот і постачати його рослині.

З практичної точки зору важливою ознакою бульбочкових бактерій є їхня ефективність — здатність підвищувати врожайність бобових рослин та вміст білка в продукції. На думку багатьох авторів, підвищення продуктивності рослин не завжди є результатом лише високої активності симбіотичної азот­фіксації. Природа впливу ризобій, що містяться в бульбочках, на рослину значно складніша і включає цілу низку недостатньо вивчених регуляторних взаємодій. Ефективність штаму є інтегральним показником, який об’єднує всі симбіотичні властивості штаму й показує його вклад у продуктивність рослини-господаря. На пошук одного активного штаму витрачається до п’яти років. І лише коли такі штами відібрані та перевірені в польових дослідах і виробничих посівах, на їхній основі виготовляють відповідні біологічні препарати для бобових культур.

Однією з найважливіших зернобобових культур світового сільського господарства, яка за площами посіву займає друге місце після сої, є квасоля звичайна (Phaseolus vulgaris L.). Зерно її містить від 28 до 30% білка, 2–3% жиру, 45–52% вуглеводів та значну кількість вітаміну В1. Вирощують квасолю на зерно (лущильні сорти) або збирають у зеленому вигляді (овочеві або спаржеві сорти).

В Україні посіви квасолі становлять 30–40 тис. га і, в основному, зосереджені на присадибних ділянках приватного сектору та у фермерських господарствах. Результати роботи вітчизняних селекціонерів зі створення нових сортів квасолі, придатних для прямого комбайнування, дають упевненість у тому, що найближчим часом посівні площі цієї важливої харчової культури в країні поступово збільшуватимуться.

Та, на жаль, попри перспективи розширення асортименту сортів квасолі, азотфіксувальний потенціал цієї культури не використовується повною мірою. Екологічно безпечним способом підвищення продуктивності квасолі є передвисівна інокуляція насіння бактеріями виду Rhizobium phaseoli, які утворюють азотфіксувальні бульбочки на коренях рослин.

Враховуючи те, що квасоля є традиційною культурою для України, в ґрунтах поширені місцеві популяції ризобій квасолі. Ці популяції можуть виступати конкурентами штамів — інокулянтів. У зв’язку з цим актуальним є пошук конкурентоспроможних і високоефективних штамів бульбочкових бактерій квасолі, які можна було б використовувати для створення нових мікробних препаратів.

У попередні роки в Інституті сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН було отримано та запатентовано новий штам R. phaseoli ФБ1, який є активним симбіотичним азотфіксатором, характеризується високою конкурентоспроможністю відносно місцевих штамів специфічних ризобій і позитивно впливає на продукційний процес рослин. Цей штам використовують як біоагент розроблених в інституті біопрепаратів Ризобофіту та Ризогуміну.

Ризобофіт для квасолі — біопрепарат на основі ефективного штаму бульбочкових бактерій квасолі, виготовлений шляхом глибинного їхнього культивування. За торф’яної форми біопрепарату як носій використовується стерильний торф. Рідкий препарат має невеликий термін зберігання, тому його слід використати впродовж 20 днів із моменту виготовлення. Торф’яний препарат може зберігатися протягом трьох — шести місяців. І хоча використання рідкого препарату технологічно зручніше, проте торф’яний Ризобофіт — надійніший щодо ефективності.

Аналогічним Ризобофіту, проте більш функціональним, є новий мікробний препарат — Ризогумін для квасолі. Це біопрепарат комплексної дії, який включає, крім культури бульбочкових бактерій R. phaseoli, фізіоло­гічно активні речовини (зокрема ауксини й цитокініни в оптимальних для взаємодії бактерій із рослинами кількостях), макроелементи в невеликій кількості, та мікроелементи в хелатній формі. Ризогумін виготовляють у двох формах — рідкій і торф’яній. Рідкий препарат розфасовують у дві ємності (в одній міститься бактеріальна культура, в другій — розчин фізіологічно активних речовин, макро- й мікроелементів). Термін зберігання рідкого препарату — до 20 днів. Торф’яний препарат може зберігатися за температури не вище ніж 10°С до шести місяців.

Застосування біологічних препаратів бульбочкових бактерій за вирощування зернової квасолі

Ефективність мікробного препарату Ризобофіт на основі штаму R. phaseoli ФБ1 досліджували в польових дослідах із зерновою квасолею сорту Щедра в ґрунтово-кліматичних умовах Полісся України (дослідне поле Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН).

За результатами досліджень, проведених у ґрунтово-кліматичних умовах Полісся, встановлено, що передвисівна інокуляція насіння квасолі різними формами Ризобофіту та Ризогуміну забезпечувала формування активного симбіозу (фото). На зрізі кореневі бульбочки мали червоне забарвлення, що свідчить про активну фіксацію молекулярного азоту за участі штаму-інокулянту.

Доведено, що біопрепарати Ризобофіт і Ризогумін на основі штаму R. phaseoli ФБ1 забезпечують стабільне підвищення врожайності квасолі сорту Щедра на 17–29% порівняно із контролем без інокуляції (табл.). Максимальний рівень урожайності (3,05 т/га) за три роки відзначено за використання торф’яної форми Ризогуміну. Покращувались також показники якості зерна квасолі: вміст білка відносно контролю зростав на 13%, а жиру — на 17%.

Окрім зазначеного позитивного впливу на симбіотичні показники, використання нового штаму R. phaseoli ФБ1 як біоагента препаратів значно стримувало розвиток кореневих гнилей, що є важливою складовою отримання високих урожаїв. Ефективність захисної дії штаму коливалась у межах 27–37%.

Важливою умовою впровадження біоагентів мікробних препаратів у виробництво є їхня перевірка в наявних технологіях вирощування бобової культури. Застосування Ризобофіту та Ризогуміну (торф’яні форми) у виробничих умовах у Вінницькій і Харківській областях сприяло збільшенню врожайності квасолі, порівняно з контролем без інокуляції, на 11–21% та 16–36% відповідно.

Передвисівна обробка насіння квасолі звичайної біопрепаратами на основі високоефективних штамів бульбочкових бактерій має бути обов’язковим агроприйомом у технологіях її вирощування. Це дає змогу істотно підвищити врожайність культури та отримати якісну сільськогосподарську продукцію.

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

Інститут сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН

Журнал «Пропозиція», №8, 2019 р.