Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF INFLUENCE OF BACTERIAL STRAINS ISOLATED FROM PERMAFROST WESTERN SIBERIA TO THE GROWTH AND DEVELOPMENT OF WINTER WHEAT

Kulakova A.Yu. 3 Domanskaya O.V. 1, 3 Domanskiy V.O. 2, 3
1 Tyumen Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
2 Institute of Earth Cryosphere SB RAS
3 Tyumen State Oil and Gas University
В работе представлены результаты применения по влиянию штаммов бактерий (Bacillussimplex и Bacillusmegaterium), выделенные из мерзлых отложений в качестве протравителя на примере озимой пшеницы сорта Тюменская-1. Для оценки эффективности применения бактериальных штаммов в качестве протравителя, эталонами служили препараты биологического происхождения – Фитоспорин-М и химического – Раксил Ультра. Проведенные исследования показали что, действие Bacillussimplex и Bacillusmegaterium при предпосевной обработке семян способствовали улучшению изучаемых показателей, а также не уступали известному фунгициду Раксил Ультра и превышали таковые показатели в сравнении с биологическим препаратом Фитоспорин-М. Выделенные микроорганизмы из ММП являются перспективными агентами для применения в сельскохозяйственной практике в качестве основы для полифункционального биопрепарата.
The results on the effect of the use of bacterial strains (Bacillus simplex и Bacillus megaterium) isolated from permafrost as a disinfectant on the example winter wheat varieties Tyumen-1. To evaluate the efficacy of bacterial strains as a disinfectant, the standards were agents of biological origin –Fitosporin– M and the chemical –Raksil Ultra. Studies have shown that the action of Bacillus simplex and Bacillus megaterium preliminary treatment of seeds improved the studied parameters, as well as not inferior to known fungicides and Raksil Ultra – exceeded those figures in comparison with the biological drug Fitosporin-M. Isolated microorganisms from the permafrost are promising agents for use in agricultural practices as a basis for a multifunctional biological product.
stimulation of growth.
winter wheat
biological product
disinfectants
Permafrost
bacteria
Одной из ведущих злаковых культур мирового потребления является пшеница, зерно которой на одну треть обеспечивает суточную потребность организма человека в энергетическом материале и почти на одну четверть в белковых веществах.

В условиях нашей страны среди зерновых колосовых культур самой высокой потенциальной продуктивностьюотличается озимая пшеница. По сравнению с яровыми формами зерновых, она полнее использует солнечную энергию, осенне-весеннюю влагу и питательные вещества почвы.

В условиях Сибириозимая пшеница используется слабо, так как недостаточно освоена агротехнология возделываниярайонированных зимостойких сортов. Отрицательное воздействие оказывают целый ряд природно-климатических факторов: резкие колебания температур деятельного слоя, низкая влажность воздуха в период активной вегетации, ливни, гради т.д.

Наряду с агротехникой и климатическими факторами гибель посевов могут вызыватьпатогены микробного и грибного происхождения. Ежегодные потери урожая пшеницы от различных фитопатогеновдостигают около 25% урожая [8].

В настоящее время против вредителей и болезней сельскохозяйственных культур в большинстве случаев применяются химические средства защиты растений. Следует отметить, что наряду с высокой эффективностью в подавлении численности вредных организмов, пестициды вызывают резистентность патогенов и появление видов не восприимчивых к химическим воздействиям.

Несмотря на это, химический метод, бесспорно, продолжает оставаться важнейшим средством оперативного сдерживания патогенов, однако ухудшение фитосанитарной обстановки и общей экологической ситуации в регионах России требуют новых подходов в развитии и использовании средств и способов биологической защиты.

Биологическая защита растений на современном этапе включает применение биопрепаратов на основе живых культур микроорганизмов.Известно, что микроорганизмы являются источником доступных для растений элементов минерального питания и способны выделять различные антибиотические вещества, защищающие растения от болезней и вредителей [4].

Эффективность биологических средств защиты во многом определяется выбором  микроорганизмов, способных обеспечить защиту в течение вегетационного периода растения. Потенциальными биологическими агентами, перспективными для защиты растений от фитопатогенов, могут быть бактериальные штаммы, выделенные из многолетнемерзлых пород (ММП), отличающиеся устойчивостью к почвенно-климатическим условиям Севера.Большинство биопрепаратов на основе мезофильных штаммов бактерий малоэффективны в условиях низких температур, приходящихся на начало вегетации растений, когда они наиболее сильно подвержены воздействию фитопатогенных микроорганизмов. Использование бактерий выделенных из ММПможет стать альтернативой как широко используемым фунгицидам, так и биологическим препаратам предшествующего поколения.

Цель работы –определение эффективности предпосевной обработки семян озимой пшеницы бактериальными штаммами, выделенные из многолетнемерзлых пород Западной Сибири.

Материалы и методы

В качестве материала исследований были использованы семена озимой пшеницы сорта Тюменская-1 (2013г.), предоставленные научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северного Зауралья (ФГБНУ «НИИСХ Северного Зауралья»).

В качестве протравителя использовались бактериальные штаммы Bacillussimplex и Bacillusmegaterium, выделенные авторамииз мерзлых отложений Западной Сибири (Пуровский район). Эталонами для оценки эффективности применения бактериальных штаммов, в качестве протравителя,явились препараты биологического происхождения – «Фитоспорин-М» и химического – «РаксилУльтра». Оба препарата официально рекомендованы к применению на территории РФ против грибных и микробных фитопатогенов [2]. Бактериальные штаммы Bacillussimplex и Bacillusmegaterium выращивали на питательной среде следующего состава, (г/л): K2HPO4 – 1,0; MgSO4•7H2O – 0,5; (NH4)2SO4 – 2,0; пептон – 2,0; дрожжевой экстракт – 5,0; сахароза – 2,0. Культивирование осуществляли в колбах Эрленмейера на шейкере LOIP LS-120 со скорости вращения 140 об/мин, при температуре +25˚C и +5˚C в течение 50 ч и 72 ч соответственно. Оценку титра жизнеспособных клеток определяли методом Коха [10].

Варианты лабораторного опыта: 1. Контроль; 2. «Фитоспорин-М»; 3. «РаксилУльтра»; 4. Bacillussimplex (+25˚С); 5. Bacillus simplex (+5˚С); 6. Bacillus megaterium (+25˚С); 7. Bacillus megaterium (+5˚С); 8. Bacillus simplex + Bacillus megaterium (+25˚С); 9. Bacillussimplex + Bacillusmegaterium (+5˚С).

При проведении опыта, семена озимой пшеницы сорта Тюменская – 1 обрабатывали бактериальной суспензией с титром 108 – 109кл/мл и выдерживали в течение 2 ч при 22±2˚С. Обработку семян препаратами «Фитоспорин-М» и «РаксилУльтра» проводили согласно рекомендациям производителя. Контрольные семена замачивали в стерилизованной водопроводной воде.

Семенаозимой пшеницы проращивали в сосудах со стерилизованным песком, равномерно увлажненным раствором Кнопа, при температуре 22±2˚С и люминесцентном освещении (6 тыс. лк.) в режиме: 14 часов – свет, 10 часов – темнота. Сроки полива растений определялись визуально по состоянию субстрата. Каждый вариант опыта включал четыре повторности, по 50 семян. На 14 день вегетационного эксперимента растения извлекались из субстрата. С целью сохранения целостности корневой системы корни отделяли от субстрата, промывая водой. Из морфометрических показателей растений определялиследующие показатели: длину надземных и подземных частей, их массу и площадь первого листа. Содержание хлорофилловА+Ви внутриклеточных фенольных соединений в проростках пшеницы определяли спектрофотометрическим методом, содержание аскорбиновой кислоты определяли йодатным методом [9].

Математическую обработку опытных данных проводили с использованием программного средства для анализа и визуализации данных – R, версия 3.2.0 (FreeSoftwareFoundation, IncBoston, MA).

Результаты и обсуждение

Микроорганизмы,выделенные из ММП,в последнее десятилетие широко используются в различных отраслях промышленности.Одними из перспективных продуцентов биологически активных веществ являются бактерии, относящиеся к роду Bacillus. Это обусловлено высокой выживаемостью их во внешней среде, толерантностью к антропогенным воздействиям, технологичностью в производстве и применении.Продуцируемые этими бактериями биологически активные вещества подавляют рост патогенных и условно-патогенных микроорганизмов.

Для развития любого микроорганизма существуют определенные температурные и рН оптимумы, при которых обеспечивается максимальный рост, выход целевого продукта и т.д. Температурные границы для большинства видов родаBacillusдовольно широкие – от 4°до 43°С. Многие виды этого рода являются мезофилами и развиваются при 27–30°С [6]. По результатам изучения влияния температуры на особенности роста Bacillussimplex и Bacillusmegateriumбыл установлен оптимальный температурный диапазон роста: от +5до + 25˚C [3].

При фитопатологическом анализе пшеницы сорт Тюменская-1 доминировали представители рода Penicillium, Mucor,Alternariaи Fusarium,вызывающие плесневение семян.Результаты исследования лабораторной всхожести (Гост 12038-84) протравленных семян показали, что при обработке препаратом «Раксил Ультра» всхожесть по сравнению с контролем снижалась на 20%, а в остальных вариантах опыта оставалась на уровне контроля.

Результаты биометрических показателей проростков озимой пшеницы представлены в табл. 1.Максимальное статистически достоверное увеличение наблюдалось в длине подземной части растений после обработки семян бактериальными штаммами Bacillussimplex(p=0,04) и Bacillusmegaterium(p=0,01) при температуре культивирования +5˚С, а также после обработки семян штаммом Bacillusmegaterium(p=0,00) с температурой культивирования +25 ˚С. Масса надземной части проростков пшеницы повышалась только после инокуляции семян бактериальным штаммом Bacillussimplex +25 ˚С(p=0,00). Химический препарат «Раксил Ультра» снижал показатели длины и массы проростков пшеницы по отношению к контролю. Это объясняется тем, что входящее в состав препарата «Раксил Ультра» вещество тебуконазол способствует замедлению синтеза гиббереллинов и действует как регулятор роста, тем самым не допуская на начальной стадии онтогенезачрезмерного развития надземной части и способствует интенсивному развитию корневой системы. При обработке бактериальными штаммами и препаратом «Фитоспорин-М» статистически достоверных различий с контролем не выявлено.

Таблица 1

Влияние обработки препаратов «Раксил Ультра», «Фитоспорин-М» и перспективных бактериальных штаммов на биометрические показатели проростков озимой пшеницы

Обработка

Длина надземной части, мм

Длина подземной части, мм

Масса надземной части, г

Масса подземной части, г

S листовой поверхности, см²

Раксил-ультра

Фитоспорин-М

Bacillussimplex+5°C

Bacillussimplex+25°C

Bacillus megaterium+5°C

Bacillus megaterium+25°C

Bacillussimplex +megaterium+5°C

Bacillussimplex +megaterium+25°C

Примечание: над чертой – значение опытного варианта; под чертой –значение контрольного варианта.

 

По результатам проведенных исследований было установлено, что штаммы микроорганизмов, выделенных из ММП, могут избирательно влиять на рост и развитие растений, оказывая как стимулирующее, так и ингибирующее действие.

Известно, что площадь листовой поверхности растения позволяет оценить фотосинтетический потенциал и интенсивность его работы. Лист обладает наибольшими приспособительными качествами к условиям среды, что выражается в изменении площади ассимиляционной поверхности растения [1].Анализ проростков пшеницы показал, что общая площадь листовой поверхности в варианте с«Фитоспорин-М» и бактериальными штаммами из ММП не превышает уровняконтрольного варианта и статистически достоверно снижаетсяпри обработке препаратом «Раксил Ультра»(p=0,01), результаты представлены в табл.1.

Общее содержание хлорофилловA + B в двухнедельных проростках пшеницы количественно увеличивалось после обработки семян препаратом «Раксил Ультра» (рис. 1). Такой «озеленяющий эффект» растений после обработки препаратами химической природы вызван ингибированием этилена – гормона стресса. Растения продуцируют этилен в ответ на повреждение или в результате атаки патогенов. Сокращение выработки этилена может лимитировать природный ответ на стресс и визуально выражается в озеленяющем действии на растение.

Рис.1. Общее содержание хлорофиллов А+В в проростках озимой пшеницы сорта Тюменская-1:1. Контроль; 2. «Раксил Ультра»; 3. «Фитоспорин-М»; 4. Bacillussimplex +5°C; 5. Bacillussimplex +25°C; 6. Bacillusmegaterium +5°C; 7. Bacillus megaterium+25°C;

8. Bacillus simplex +Bacillus megaterium +5°C; 9.Bacillus simplex + Bacillus megaterium +25°C

 

Незначительноеповышение общего содержания хлорофиллов A + Bнаблюдалось после обработки бактериальными штаммами BacillussimplexиBacillussimplex+Bacillusmegateriumпри температуре культивирования +5 и +25˚С, а при обработке препаратом «Фитоспорин-М», наоборот, количественно снижалось по сравнению с контрольным вариантом.

В адаптации растений к изменениям условий окружающей среды важную роль отводят веществам фенольной природы, которые являются уникальными вторичными метаболитами. Они обладают широким биологическим действием, регулируют ряд внутриклеточных процессов, оказывают влияние на синтез белков и нуклеиновых кислот [5]. Количество фенольных соединений возрастает при повреждениях: механических, химических, биологических, например, грибами, бактериями или вирусами с возможным образованием новых фенольных соединений, таких какфитоалексиныи др. [11].

По результатам исследований выявлено, что количество внутриклеточных фенольных соединений в проросткахпшеницы повышается при воздействии всех исследуемых бактериальных штаммов, кроме Bacillussimplexс температурой культивирования+25˚C (рис.2). В подземной же части растений содержание фенолов увеличивается только при обработке штаммами BacillussimplexиBacillussimplex+Bacillusmegateriumс температурой культивирования+5˚С. Возможно, это объясняется тем, что при низких положительных температурах штамм Bacillussimplexвыделяет метаболиты, под влиянием которых происходит увеличение активности ферментов биосинтеза фенольных соединений. Кроме того, повышение содержания фенольных соединений в растительном организме свидетельствует о повышении их иммунитета. При воздействии препаратов «Раксил Ультра» и «Фитоспорин-М» в проростках пшеницы количество внутриклеточных фенольных соединений снижается.

Рис.2. Содержание внутриклеточных фенольных соединений в надземной и подземной части проростков озимой пшеницы сорта Тюменская-1: 1. Контроль; 2. «Раксил Ультра»; 3. «Фитоспорин-М»; 4. Bacillussimplex +5°C; 5. Bacillussimplex +25°C; 6. Bacillusmegaterium +5°C; 7. Bacillus megaterium+25°C; 8. Bacillus simplex + Bacillus megaterium +5°C; 9. Bacillussimplex +Bacillusmegaterium +25°C

 

Известна прямая связь между накоплением аскорбиновой кислоты и устойчивостью к действию неблагоприятных факторов среды. Исследователи отмечают, что в северных районах содержание витамина C в листьях, стеблях, корнях и плодах значительно больше, чем в растениях, возделываемых на юге. Например, в проростках гороха и пшеницы, культивируемых при температуре +6˚С, количество аскорбиновой кислоты значительно выше, чем в таких же проростках, выращенных при +25˚С. Накоплениевитамина связано с устойчивостью растений к холоду [7].

Анализ общего содержания аскорбиновой кислоты в проростках пшеницы показал, что содержание витамина Cувеличивалось при обработке семянбактериальными штаммами, в отличиеот препаратов «Раксил Ультра» и «Фитоспорин-М», которые снижали содержание аскорбиновой кислоты в побегах растений, по сравнению с контролем(рис.3).

Рис.3. Содержание аскорбиновой кислоты в надземной и подземной части проростков озимой пшеницы сорта Тюменская-1. 1. Контроль; 2. «Раксил Ультра»; 3. «Фитоспорин-М»; 4. Bacillussimplex +5°C; 5. Bacillussimplex +25°C; 6. Bacillusmegaterium+5°C; 7. Bacillus megaterium+25°C; 8. Bacillus simplex +Bacillus megaterium+5°C; 9. Bacillussimplex +Bacillusmegaterium+25°C

 

Заключение

Таким образом,выделенные из мерзлых отложений бактериальные штаммы не уступают, а в некоторых случаях превышают ростостимулирующую и биохимическую активность эталонных протравителей «Раксил Ультра»и «Фитоспорин-М». Отмечено, что предпосевная обработка бактериальными штаммами рода Bacillus в качестве протравителей была эффективна как при +5°C, так и при +25°C. Следовательно, выделенные микроорганизмы из ММПявляютсяперспективными агентами для применения в сельскохозяйственной практике в качестве основы для полифункционального биопрепарата.

Рецензенты:

Мельников В.П., д.г.-м.н., председатель ТюмНЦ СО РАН, г.Тюмень;

Боме Н.А., д.с-х.н., профессор, заведующая кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный университет» Минобрнауки России, г.Тюмень.