Чин­ни­ки існу­ван­ня симбіозу b. japonicum — соя

Симбіоз — біологічна си­с­те­ма, ут­во­­ре­на бо­бо­ви­ми рос­ли­на­ми та буль­боч­ко­ви­ми бак­теріями, ре­­­зуль­та­том взаємо­­­­­дії яких є формування 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 ґрун­ту­ва­лася 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. 50 років по­то­му си­с­те­ма­ти­ку цих мікро­ор­ганізмів пе­­ре­гля­ну­ли та за низ­кою ге­­не­тич­них і мор­фофі­зіо­­­ло­гічних вла­с­ти­во­с­тей ви­о­кре­ми­ли 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 (азотфіксую­ча 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. Крім цього, 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.

Перш ніж пе­рей­ти до роз­гля­ду кон­крет­них фак­торів, що впли­ва­ють на­­ ут­во­­­рен­ня 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.

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» рос­лині про 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 «не­ ­пра­­­цю­ють». 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 ґрунту. 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. 

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. 

Ри­зобії, що містять­ся в ґрунті, зде­більшо­го стійкі до ко­рот­ко­три­ва­лих пе­­ріодів по­су­хи. Не­ста­ча во­ло­ги не­га­тив­но 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 в 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 упли­ву 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 по­зна­ча­лося на про­дук­тив­ності рос­лин.     

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. 

Я. Чабанюк, д-р с.-г. наук, заввідділу агроекології і біобезпеки, 

І. Бровко, завлабораторії екології мікроорганізмів,

Інститут агроекології і природокористування НААН

Інформація для цитування

Чин­ни­ки існу­ван­ня симбіозу  b. japonicum — соя / Я. Чабанюк, І Бровко // Пропозиція. — 2017. — №3. — С. 36-37