Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аборигенная популяция ризобий сои основной соесеющей зоны России

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Тильба, Владимир Арнольдович, Владивосток

российская академия сельскохозяйственных НАУК всероссийский научно-исследовательский институт сон

•:-■'■-! ¡л у, . На мравах рукчшнсн

^исудил учеЕу;.;о ст61

¿Ш

начальник з'яравл

г., №

тнльбя степень ЛО;^ -

ения ВА.

/

лкорнгкннаи популяция г ишьтгг'гшп'шгшк»

соесеющей зоны россии

(свойства и участие в продукционных процессах)

03.00.07 - микробиология

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

ВЛАДИВОСТОК

1998

Официальные оппоненты: 1 Доктор биологических наук, профессор Шнлышкова В.К

2. Доктор с-х. наук, академик РАСХН Чайка А. К.

3. Доктор биологических наук Михайлов В В.

Ведущее учреждение : Институт водных и экологических проблем ДВО РАН

Г) л и -fu - и О

п """ ¡¡i .j J ó

Зашита состоится f Ю" Aji^^OJ. ¿L 1998 г, в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.99.02 при Тихоокеанском институте биоорганической химии Дальневос точного отделения Российской Академии Наук по адресу . 690022, Владивосток, Проспект 100 лег Владивостоку, 159.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в центральной библиотеке ДВО РАН

,чть му

Диссертация в виде научного доклада разослана" .

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

(

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах с завер по адресу : 690022, Владивосток, Проспект 100 ; секретарю. Факс: (4232) 314050.

общая характер» С i » к а р a ii о т ы

Актуальность проблемы. Уровень продукционных процессов в окультуренных биоценозах ограничивается, наряду с гидро-термическими факторами, запасами почвенного азота. В системе малого биологического круговорота азот в почву возвращается и основном за счет деятельности диазотрофов. Наиболее интенсивно атмосферный азот усваивается в посевах бобовых растений ( Федоров, 1952; Мишустин, Шильннкова, 1968; Доросинскнй. 1970; Мишустин, Шнлышкова, 1973; Новикова и др., 1976; Брплл, 1982; Посмпанон. 1983. Кожемяков, Доросинскнй, 1987).

Среди бобовых культур уникальными биологическими и хозяйственными свойствами характеризуется соя (Емкен, 1959; Золотнпцкнй, 1962, Картер, Хартвиг, 1970). В семенах сон содержится свыше 40 % белка и до 18 % масла (Кузин, 1976) За счет посевов сон мировое сельское хозяйство решило проблему кормового белка (Лищенко, 1984) Синтез соей в онтогенезе большого количества белковых соединений сопряжен с достаточно высокой активностью процессов симбиотической азотфнксации (Хауэл, 1970)

Процессы взаимоотношений растений сон с микросимбионтамн на клеточном и органпзменном уровне изучаются в течение нескольких десятелетий (Williams, Lynch, 1954, Bergersen, 1958; Жнзневская, 1972; Мишустин, Шильннкова, 1973). В ряде случаев соя используется как модельный объект при изучении проблем азотфнксации (Evans, 1954; Wargel, Howell, 1958; Cheniae, Ewas, 1959, Трепачев и др., 1972). Большое количество данных получено по эффективности применения нитрагина под сою (Weiss, 1949, Тильби, 1968; Новикова и др., 1976; Сабельникова, 1982; Тнльба, Бегун, 1992)

Вместе с тем, хозяйственная эффективность ннтрагинизацин сон по годам остается неустойчивой, что в определенной мере объясняется недостаточной изучсниосп.ю взаимоотношений растения-хозяина с микросимбионтами на популяцпонном уровне и экологии симбиоза.

Наиболее актуальной данная проблема представляется для основной зоны соессяння i России (Дальний Восток). Южные районы Российского Дальнего Востока являются ареалом распространения дикой сои (Glycine soja). Во взаимодействии с макроснмбионтом за достаточно продолжительный естественно-исторический отрезок времени в почвах региона сформировалась аборигенная популяция специфичных для сои клубеньковых бактерий

Изучение свойств указанной популяции дает возможность научно обосновать мероприятия повышения продуктивности соево-зерновых севооборотов и разработать приемы устойчивого функционирования уникального агрофитоценоза.

Использование высокоактивных штаммов ризобий сон позволит дополнительно получить значительное количество белковой продукции Одновременно появляется возможность повысить энергетический уровень почвенных процессов агроэкоснстемы за счет поступления в почву органических веществ с повышенным содержанием белка.

Рациональное использование свойств аборигенной популяции ризобий сои, в перспективе, несомненно является важным элементом "биологизацин" земледелия и создания адаптивно-интенсивной стратегии соеводства (Жученко, 1995).

Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось системное изучение практически значимых свойств аборигенной популяции клубеньковых бактерий сон, обоснование приемов увеличения продуктивности соево-зерновых севооборотов с использованием биологических факторов (бактериальных препаратов).

Задачи исследований заключались в выявлении степени распространенности специфичных клубеньковых бактерий сои в изученной зоне, образование клубеньков на корнях растения-хозяина, установить масштабы использования снмбиотического азота в посевах сои; выявить взаимосвязь между нарастанием клубеньков и зерновой продуктивностью растений; изучить основные морфолого-культуральные и практически значимые биологические свойства аборигенной популяции ризобий сои; выявить зависимость между отдельными свойствами штаммов ризобий сон и эффективностью; определить значение симбиотрофного питания в продукционных процессах у сон и предложить штаммы, повышающие семенную продуктивность растений.

основные положения, в ы ii о с и м 1>1 е на за щ и т у :

1. Клубеньковые бактерии сои являются важной составной частью биологических природных ресурсов зоны соесеяння.

2. Аборигенная ризобий сои включает штаммы существенно различающиеся по культуральным, физиологическим и хозяйственно-ценным свойствам.

3. В результате сложного взаимодействия макро- и микросимбионтов в онтогенезе практически все растения сои формируют спмбиотическую систему (клубеньки), активность функционирования которой можно резко повысить с помощью агротехнических приемов

4. В составе аборигенной популяции ризобий сои имеются штаммы, способные существенно повышать зерновую продуктивность растений.

Научная новизна. Впервые в основной зоне соесеяния России проведено системное изучение процессов образования клубеньков на корнях сои, получены данные о

соотношении показателей массы и количества клубеньков, прироста надземной массы и корневой системы применительно к освоенным в производстве и перспективным сортам сон Выделено около 1000 штаммов клубеньковых бактерии сои Впервые осуществлено их конкурсное испытание. Обнаружена гетерогенность основных свойств аборигенной популяции бактерий, проведена дифференциация нзолятов по антигенному составу, выявлены особенности продуцирования метаболитов, изменяющих реакцию среды Установлено, что свойство подщелачивать культуральную жидкость соответствует проявлениям эффективности штаммов.

Аборигенная популяция клубеньковых бактерий сон впервые в России была разделена на две группы по скорости появления колонии на плотных питательных средах ВтЛугЫгоЫит, /аротсчт и $тогЫ.\оЫит /гесШ\ создана коллекция указанных бактерий; изучено их влияние на урожай растения-хозяина

Практическая ценность работы. Выделены новые штаммы клубеньковых пак терпи сон, обладающие хозяйственно-ценными признаками Ряд штаммов используется в производстве. На четыре штамма получены патенты (авторские свидетельства)

Разработаны практические рекомендации по использованию бактериальных препаратов (нитрагин) для предпосевной обработки семян в комплексе с другими приемами агротехники сон.

Материалы работы использованы для подготовки "Зональной системы земледелия в Амурской области" (г.Благовещенск, 1985 ); "Системы ведения сельского хозяйства Амурской области"- Рекомендации (Новосибирск, 1986); "Обязательные агротехнические правила возделывания сельскохозяйственных культур в Амурской области па 1996- 1997 годы" (Благовещенск, 1985)

Реализация результатов исследований. Организован цех (фирма "Ьносоя") но производству соевого нитрагина при ВНИИ сон. В опытно-производственном хозяйстве ВНИИ сои и ряде других хозяйств Приамурья семена сон ежегодно обрабатываются бактериальными препаратами. Годовой объем применения нитрагина в соесеющем регионе с использованием авторских штаммов составляет 60-80 тыс. гектарных порций

Ряд штаммов переданы во Всероссийскую коллекцию микроорганизмов. Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии. Географическую сеть опытов с нитрагином.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих совещаниях: Первое совещание агрохимиков и почвоведов Дальнего Востока (Хабаровск, 1970); Научная конференция Дальневосточного и.-и института сельского хозяйства - Благовещенского сельхозинститута ( Благовещенск, 1971 ); Научная

конференция по методам микробиологических и биохимических исследовании (Киев, 1969); 5-ый и 7-ой съезды Всесоюзного микробиологического общества (Ереван, 1975; Алма-Ата, 1985); Всесоюзное совещание "Проблемы и методы биологической диагностики почв" (Москва, 1976); Совещание "Вопросы численности и биомассы микроорганизмов" (Ленинград, 1972); Совещание "Научные основы производства и применения нитрагина" (Москва, 1981), Всесоюзные координационные совещания по селекции, семеноводству, технологии возделования сои (Краснодар, 1979; Волгоград, 1984; Алма-Ата, 1986; Благовещенск, 1989); 4-ая международная конференция СОИСАФ (Москва, 1996); Научно-производственная конференция "Селекция и технология возделывания сои на Дальнем Востоке" (Благовещенск, 1996); на годичных собраниях ДВО Россельхозакадемпи (Хабаровск, ежегодно).

Публикация результатов исследований По результатам исследований опубликовано 55 работы, в том числе 3 книги общим объемом 13,5 п л. и 5 рекомендации.

Работу выполняли в течение 1970-1996 гг по следующим государственным заданиям:

Проблема "Изучить микрофлору, ее роль в азотном балансе почв, выявить наиболее активные штаммы клубеньковых бактерии для использования в качестве бакгерпальных удобрений № Гос per. 74056845; Тема 07 01 "Изучить экологические аспекты симбиоза клубеньковых бактерий с бобовыми растениями с целью повышения эффективности азотофиксации", № Гос.per, 78079290; Тема 07.03. "Изучить эффективность нитрагина в различных почвенно-климатическнх зонах СССР при разном уровне агротехники", № Гос рег.78079289, Тема OCX 28.02.01 "Изучить симбиогические взаимоотношении азотофикснрующих микроорганизмов с растениями и разработать практические приемы усиления использования биологического азота", № Гос.рег. 018330061033; Программа "Биологический азог", тема 01.07. "Выделить и испытать эффективность перспективных штаммов клубеньковых бактерий, обладающих комплексом хозяйственно - ценных свойств" № Гос per. 01.880085787; тема 03. "Изучить потенциальные возможности бобоворизобиального симбиоза и на этой основе разработать приемы их промышленной реализации", № Гос.рег. 01 880085782; Проблема "Интербиоазот", тема "Азотфнкснрующне процессы в посевах сон и приемы их рационального использования", № Гос per. 01 9 20018665.

flOM&Vii

Искреннюю благодарность за>в работе и многолетнее сотрудничество выражаю зав. лабораторией ВНИИ сои, к.б.н. Бегуну С А., работникам ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, академику РАСХН Тихоновичу И.А , д.б.н. Доросинскому Л.М., к.б.н. Кожемякову А.П., к.б.н. Новиковой А.Т., профессору 'ГСХА, д с-х.н. Посыпанову Г.С., академику РАСХН Пенчукову В.М.

1. М я т с р н а л и методы исследовании

Изучение свойств природной популяции клубеньковых бактерий сон проводили, преимущественно, в Амурской области, Приморском и Хабаровском краях с 1968 г. Отдельные образцы материалов отбирали в Краснодарском крае

Объектами исследования являются почвы соесеющей зоны , популяция клубеньковых бактерий и растения сои. Культурная соя - Glycine (Moencli) Max., возделываемая на Дальнем Востоке, представляет собой бобовое однолетнее травянистое растение В опытах высевали сорта Внинс-1, Вннис-2, Смена, Амурская 310, 0ктябрь-70, которые относятся к маньчжурскому подвиду .

На первом этапе исследований изучали экологию клубенькообразования и влияние штаммов ризобпй на продукционный процесс; на втором этапе проводили выделение чистых культур ризобпй и их всестороннее изучение

Совмещалось выполнение полевых-маршрутных обследований и лабораторных анализов Посевы сои ежегодно обследовали в южной, центральной и северной зонах Приамурья Систематически отбирали образцы растений (в фазы - трех тройчатых листьев, ветвления, цветения, образования-налива бобов у сои ) с почвенными монолитами, включая корневую систему.

Учет клубеньков проводили по методике ВНИИ с-х мнкробиолоиш (Новикова с соавт., 1976) в нашей модификации (Тильба, 1971)

Морфолого-культуральные, физиологические и биохимические свойства бактериальных культур изучали общепринятыми методами: "Большой практикум по микробиологии" под ред. Г.Л.Селибера, 1962; "Некоторые новые методы количественного учета почвенных микроорганизмов" под ред. Ю И.Возияковской, 1987; "Основные микробиологические и биохимические методы исследования почвы" - ВНИИ с-х микробиологии, 1987; "Методы культивирования азотфикспрующнх бактерий". А В.Хотянович, 1991 и ряд других руководств

Численность клубеньковых бактерий изучали по методу Н.А.Краснльникова, А.Н.Кореняко (1940) и В.А.Тильбы (1971). Культивировали ризобии на маннигно дрожжевой среде и модифицированной среде с соевой мукой, а также на мясо пептонном агаре (МПА) для разделения групп быстро- и медленнорастущих клубеньковых бактерий сои. Реакцию на различные источники углерода определяли на среде Морриса (Рогачева, 1969). Антигенный состав бактериальных культур и ткани клубеньков определяли серологическим методом (Новикова и др., 1974) Реакция преципитации осуществлялась с

антнсыворотками групп 646, 617 и 203. Иммунные сыворотки были получены из ВНИИ с.-х. микробиологии В клубеньках определяли активность бессубстратной дегндрогеназы (Доросинскнп и др., 1966; Новикова, 1973).

За весь период исследований были выполнены многочисленные полевые и вегетационные опыты для определения вирулентности, специфичности и эффективности новых штаммов ризобий сои. Опыты проводили с использованием общепринятых методов (Доспехов, 1979; Журбицкий, 1988).

Для определения эффективности штаммов клубеньковых бактерий сои в почвах, содержащих аборигенные формы этого вида, использовали специально для этого разработанную нами методику ( Тильба, Бегун, Садовская "Способ первичного отбора эффективных штаммов клубеньковых бактерий сои" Авторское свидетельство № 1482942, 1989 г.).

В зоне исследований распространены лугово-черноземонндные, луговые глеевые, бурые лесные, буро-подзолистые, торфяннсто-глеевые и пойменные аллювиальные почвы Гумусовый горизонт этих почв имеет мощность от 12-15 до 20-28 см, содержание гумуса от 3 до 6 % Реакция среды как правило, кислая, но встречается слабокислая или близкая к нейтральной (рН солевой вытяжки 4,5-5,2). Сумма поглощенных оснований в верхнем горизонте составляет : в гумусированных почвах 28,1-34,3 мг-экв., в малогумусированных -10-20 мг-экв. на 100 г почвы. Механический состав изменяется по типам почв от тяжелого до легкого. Для большинства почв свойственно длительное промерзание.

Агроклиматические условия в соесеющем регионе складываются под воздействием как резко континентального так и муссонного климата, влияние которого усиливается по мере приближения к морю. Сумма активных температур колеблется от 1700-1900° С до 2100 -2400^ С, годовое количество осадков от 500 до 800 мм. В течение летних месяцев наблюдается высокое напряжение тепла, неравномерное выпадение осадков в первой половине вегетационного периода, интенсивная освещенность.

2. Э К О Л О Г и Ч Е С 1С и Е УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКА ОБРАЗОВАНИЯ КЛУБЕНЬКОВ У СОН

2.1. Общие закономерности. Юг Дальнего Востока представляв собой, в лаидшафтно-географическом отношении, сочетание крупных горных систем с обширными равнинами (Ливеровский, Колесников, 1949). Равнинные территории приурочены большей частью к бассейну р.Амур и других дальневосточных рек (Иванов, 1976)

На равнинных плато и низменностях сосредоточены в основном земли сельскохозяйственного пользования, на значительной части которых в течение последних 40-45 лет интенсивно внедряются соево-зерновые севообороты

Культурной растительности на указанных территориях предшествовали разнотравно осоковые, разнотравно-злаковые, кустарниково-травяннстые сообщества (Терентьев, 1969), нередко включавшие, как составную часть, дикую (уссурийскую) сою

В настоящее время дикая соя - Glycine soja (L ) широко распространена в южных и центральных районах Амурской области, Приморском и Хабаровском краях, преимущественно в разнотравно-луговой растительности, а также в посевах культурной сон На корнях дикой сои по