На правах рукописи Triticum dicoccum (Schrank) КОНДРАТ Софья Владимировна

На правах рукописи
КОНДРАТ Софья Владимировна
РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ПОЛБЫ
Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl. ПРИ ИНОКУЛЯЦИИ СЕМЯН
АССОЦИАТИВНЫМИ ШТАММАМИ БАКТЕРИЙ И
ВНЕСЕНИИ ВОЗРАСТАЮЩИХ ДОЗ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА
Специальность: 03.00.12 – физиология и биохимия растений
06.01.09 – растениеводство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Санкт-Петербург
2007
Работа выполнена на кафедре ботаники государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена».
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Воробейков Геннадий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук
Кошкин Владимир Александрович
кандидат биологических наук
Кожемяков Андрей Петрович
Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный аграрный
университет
Защита состоится 29 мая 2007 г в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 006.041.01 при Государственном научном центре РФ – Всероссийском
научно-исследовательском институте растениеводства им. Н.И. Вавилова по
адресу: 190000, Россия, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 44.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского
научно-исследовательского института им. Н.И. Вавилова
Автореферат разослан «28» апреля 2007 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета
доктор биологических наук,
профессор
Э.А. Гончарова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Ассоциативные ризобактерии оказывают
многостороннее действие на физиологические процессы растений, урожайность
и качество растительной продукции. Поэтому они все шире применяются в отечественном земледелии. Так, только в земледелии нашей страны применение
микробиологических препаратов экономит до 1 млн. тонн азотных удобрений в
год, увеличивает дополнительный сбор белка на 3-4млн. тонн, снижает применение экологически опасных агрохимикатов в 1,5 – 2 раза и обеспечивает получение более качественной продукции (И.А. Тихонович и др., 2005). В тоже
время многолетний опыт показывает, что механический перенос положительных результатов применения бактериальных препаратов с одних видов и даже
сортов растений на другие часто приводит к отрицательным результатам. Для
установления эффективного микробно-растительного взаимодействия, необходим тщательный подбор сорта и штамма позволяющий в наибольшей степени
реализовывать их генетическое соответствие (А. А. Завалин, 2005; А.П. Кожемяков, 1997; В.П. Шабаев, 2004). В этом отношении культура полбы совершенно не изучена, но перспективна для установления эффективных взаимодействий с определенными штаммами бактерий.
В связи с этим, цель настоящей работы заключалась в исследовании
влияния инокуляции семян полбы ассоциативными штаммами ризобактерий на
морфофизиологические показатели, биомассу, чистую продуктивность фотосинтеза, урожайность и химический состав зерна.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
1. Выявить в лабораторных опытах штаммы ассоциативных бактерий проявляющих стимулирующий эффект на прорастание семян, длину и количество
первичных корней полбы;
2. Исследовать в вегетационных и полевых опытах эффективность отобранных
ассоциативных штаммов бактерий на формирование морфофизиологических
показателей, биомассу, чистую продуктивность фотосинтеза, урожайность и
химический состав зерна полбы;
3. Сравнить динамику формирования морфофизиологических показателей,
биомассы, чистой продуктивности фотосинтеза и урожайность образцов
полбы и районированных сортов мягкой яровой пшеницы в одинаковых условиях минерального питания;
4. Сравнить эффективность влияния возрастающих доз минерального азотного
удобрения и ассоциативных штаммов ризобактерий на формирование морфофизиологических показателей, биомассу, чистую продуктивность фотосинтеза, урожайность и химический состав зерна полбы.
Научная новизна. В условиях Ленинградской области на дерново подзолистой супесчаной почве впервые дана оценка эффективности применения
препаратов ризосферных диазотрофов агрофил и ризоагрин (Agrobacterium radiobacter, шт. 10 и шт. 204), азоризин (Azospirillum lipoferum, шт. 13), мизорин
(Arthrobacter mysorens, шт.7), мобилин (Klebsiella mobilis, шт. 880), экстрасол
(Pseudomonas fluorescens шт. 2124) и флавобактерин (Flavobacterium sp. шт. 30)
3
для яровой полбы. Показано их влияние на прорастание семян, увеличение
длины и количества первичных корней, рост растений в высоту, изменение ассимиляционной поверхности листьев, чистой продуктивности фотосинтеза,
формирование общей биомассы растений и структуры урожая, химический состав зерна. Исследовано анатомическое строение верхнего междоузлия главного стебля при обработке бактериальными препаратами.
Выявлен перспективный способ повышения урожайности полбы.
Практическая значимость. Экспериментально обоснована целесообразность инокуляции семян полбы бактериальными препаратами на основе ассоциативных азотфиксаторов, относящихся к родам Agrobacterium, Azospirillum,
Arthrobacter, Klebsiella, Pseudomonas, Flavobacterium. Выявлено, что некоторые
бактериальные препараты по своей эффективности в формировании массы зерна эквивалентны внесению 30 кг азота на га. Содержание общего азота в зерне
инокулированных растений увеличивается на 8 - 10%.
Результаты исследования являются основанием для рационального применения минеральных удобрений при возделывании полбы в условиях СевероЗапада Нечерноземной зоны России и обосновывают внесение средних доз
азотных удобрений, позволяющих сформировать высокую урожайность растений и улучшить химические характеристики зерна.
Полученные данные представляют интерес для селекционного использования полбы, а также для расширения выращивания этой культуры в условиях
Северо-Запада России при использовании высокоэффективных бактериальных
препаратов и оптимальных доз минерального азота.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Растения полбы отзывчивы на применение ризосферных азотфиксаторов.
2. Применение отобранных бактериальных препаратов ускоряет прорастание
семян, усиливает рост первичных корней и их количество, стимулирует рост
растений в высоту, увеличение ассимиляционной поверхности листьев, накопление биомассы, повышают фотосинтетический потенциал растений,
увеличивают суммарный диаметр проводящих пучков, толщину и диаметр
соломины.
3. Бактериальные препараты увеличивают урожайность и улучшают химические характеристики зерна.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена в 2002-2004
годах, на межвузовской научно-практической конференции «Проблемы методики обучения биологии и экологии в условиях модернизации образования»
(Санкт-Петербург, 2004), на V съезде общества физиологов растений России и
Международной конференции «Физиология растений – основа фитобиотехнологии» (Пенза, 2003), на научно-практической конференции молодых ученых
«Современные проблемы естествознания – 2004. Агробиотехнологии» (Владимир, 2004), на IV Всероссийской конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических ВУЗах (Новосибирск, 2005), на международной конференции «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты
сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005), VI международном симпозиуме
4
«Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2005) и на международной конференции «Проблемы биологии растений»
(Санкт – Петербург, 2006).
Публикация результатов исследований. По материалам исследований
опубликовано 13 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора,
описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, содержащей 6 глав, заключения, выводов, приложения и списка литературы.
Работа изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 37
таблиц, 24 рисунка. Список литературы включает 254 наименования, в числе
которых 41 – на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Литературный обзор
В главе проанализированы данные литературных источников о ценной
культуре – полбе. Отмечены ее биологические особенности и хозяйственная
ценность, высокое содержание белка в зерне (до 24%). Рассмотрены вопросы
минерального питания данной культуры. Показано, что азотное питание регулирует число закладывающихся элементов продуктивности (побегов, колосков,
зерен), влияя тем самым на величину массы зерна. Проанализирована роль
штаммов ассоциативных ризобактерий в формировании урожайности зерновых
злаков. Представлены материалы о перспективах подбора штаммов ассоциативных ризобактерий, позволяющих повысить урожайность растений.
2. Объекты и методы исследования
Объектом исследований являлись растения пяти образцов полбы и трех сортов
мягкой пшеницы с яровым типом развития. Образцы предоставлены нам отделом генетических ресурсов пшеницы ГНЦ РФ ВИР и Ленинградским НИИ
сельского хозяйства “Белогорка”. Вегетационные и полевые опыты были заложены на базе биостанции РГПУ имени А.И. Герцена в пос. Вырица в 2002-2005
гг. и проводились по общепринятой методике (Журбицкий, 1968; Ефимов и др.,
1988) на дерново-подзолистой супесчаной почве, характеризующейся средней
обеспеченностью гумусом, слабокислой реакцией среды и средним содержанием фосфора и калия.
В вегетационных опытах минеральные удобрения вносились из расчета
N0,1P0,1K0,1 г д.в. на 1 кг почвы в сосуде. Возрастающие дозы азота составили в
опытах от 0 до 4,0 доз. Повторность всех вегетационных опытов пятикратная. В
полевых мелкоделяночных опытах удобрения вносились из расчета NPK по 60
кг д. в. на гектар. В опытах с возрастающими дозами азота удобрения вносились (из расчета на гектар) от 0 до 120 кг N. Повторность опытов 4-х кратная.
Инокуляция семян проводилась бактериальными препаратами непосредственно перед их посевом согласно рекомендациям Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии (Хотянович, 1991) на фоне N60Р60К60. Норма
высева 400 зерновок (200 колосков) на квадратный метр. Бактериальные препа5
раты на основе ассоциативных ризобактерий – агрофил, азоризин, мизорин, мобилин, ризоагрин, флавобактерин и экстрасол были предоставлены лабораторией экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий Всероссийского
НИИ сельскохозяйственной микробиологии (табл.1).
Таблица 1
Наименование препаратов, используемых в опытах
№
1
2
3
4
5
6
7
Название препарата
Агрофил
Азоризин
Мизорин
Мобилин
Ризоагрин
Флавобактерин
Экстрасол
Вид и штамм ризобактерий
Agrobacterium radiobacter, штамм 10
Azospirillum lipoferum, штамм 137
Arthrobacter mysorens, штамм 7
Klebsiella mobilis, штамм П880
Agrobacterium radiobacter, штамм 204
Flavobacterium sp., штамм 30
Pseudomonas fluorescens, штамм 2142
Физиологические, агрохимические и анатомические исследования проводились общепринятыми методами. Развитие растений определяли по этапам органогенеза (Куперман и др., 1982). В течение вегетационного периода проводили измерения роста растений в высоту по верхней точке листа или колоса, площади листовой поверхности (Сказкин, 1973), биомассы и чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ) (Третьяков, 1990). Изучение анатомического строения
соломины полбы проводили на поперечных срезах средней части верхнего
междоузлия. Срезы постоянных препаратов окрашивали флороглюцином и заключали в глицерин-желатин (Панамарчук, Веселова, 1969). Для характеристики химического состава зерна полбы в нем определяли валовое содержание азота, фосфора и калия. Анализ проводили в вытяжках после мокрого озоления
растительного материала по методу К. Гинзбурга и др. (Ягодин и др., 1987).
Общее количество азота в образцах зерна измеряли также на автоматическом
устройстве Kjeltec 2003 Analyzer Unit, согласно Kjedale-методу на базе Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии. Химический анализ почвы проводили по общепринятой методике (Аринушкина, 1970). Данные обработаны математическим методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1985).
3. Сравнение морфофизиологических показателей, урожайности полбы
и сортов мягкой яровой пшеницы
По данным М.П. Прокопьева (1965), A.Б. Артющенко (1967), Т.Т. Ткаченко, И.К. Ткаченко (2000), при возделывании в экстремальных условиях,
полба дает урожай выше мягкой и твердой пшеницы, ячменя, овса, проса и гречихи. Поэтому наши исследования были направлены на сравнение морфофизиологических показателей, урожайности местных образцов полбы и сортов
мягкой яровой пшеницы, выявление у них ценных хозяйственно - биологических признаков и свойств в почвенно-климатических условиях Ленинградской
области.
Среди полб наибольшую ассимиляционную поверхность листьев развивали растения образца к – 33226, рекомендованного отделом генетических ре6
сурсов ВИР в качестве одного из продуктивных и выбранного стандартом в
наших исследованиях, и к-7349. Максимальный прирост площади листьев образца к – 33226, в сравнении с другими, составил 15%. Среди сортов мягкой
пшеницы лидировал по этому показателю сорт Иргина. Превышение листовой
поверхности этого сорта над образцом к - 33226 достигало 41%. Динамика
формирования чистой продуктивности фотосинтеза в фазу выхода в трубку была выше у полбы (до 21%), затем в фазы колошения и цветения у мягкой яровой
пшеницы (до 192%) (рис. 1).
70
60
кв. см
50
40
30
20
10
0
а
б
в
г
(1)
25
г/м кв.
20
15
10
5
0
б
в
г
(2)
Обозначения :(образец/сорт): Полба 1. к – 33226, 2. к – 7516, 3. к – 7349,
4. к – 9934, 5. к – 19335. Мягкая пшеница: 6. Иргина, 7. Ленинградка,
8. Ленинградская – 97. Фазы развития растений: кущение (а), выход в трубку
(б), колошение (в), цветение (г).
Рис. 1. Сравнение динамики формирования листовой поверхности (1), чистой
продуктивности фотосинтеза (2) растений полбы и мягкой пшеницы.
Урожайность – интегральная и наиболее важная характеристика сорта,
отражает его генотипические особенности и реакцию на воздействие факторов
внешней среды. Нами выявлено, что в условиях Ленинградской области наиболее высокая биомасса растений и масса зерна формировалась у образцов полбы
к-33226 (51,7 ц/га и 15,0 ц/га, соответственно) и к-7516 (51,7 ц/га и 13,4 ц/га,
соответственно). У образца к – 7349 отмечено высокое значение Кхоз.(29,0%) на
фоне более низкой массы зерна (11,0 ц/га). Поэтому из пяти изученных образцов полбы для более углубленных исследований мы взяли к – 33226, к – 7516 и
к – 7349. Подтверждено, что полба уступает по массе зерна яровой мягкой
пшенице (в наших опытах в среднем на 7,3 ц/га).
7
Для понимания путей повышения урожайности ценной крупяной культуры полбы, нами был проведен ряд экспериментов, направленных на исследование некоторых морфофизиологических показателей.
4. Влияние ассоциативных диазотрофов на прорастание семян
и ростовые показатели полбы
Применение бактериальных препаратов – важный прием на пути оптимизации минерального питания растений и повышения их урожайности. В связи
со специфичностью корневых выделений, формирующих характерную для отдельного вида культур микрофлору, успех применения ассоциативных ризобактерий будет определяться соответствием биологических особенностей сорта и
штамма. Актуальной задачей является выявление наиболее эффективного взаимодействия определенного штамма ризобактерий и образца полбы.
В лабораторных опытах при инокуляции семян полбы бактериальными
препаратами их всхожесть у к – 33226 увеличилась с 80% (в контрольном варианте) до 90 – 93%, длина корней к 3-му дню на 8 – 33%, количество первичных
корней на 33 – 67% (табл. 2).
В связи с тем, что при обработке семян азоризином, ризоагрином и флавобактерином выявлен значительный эффект стимуляции начальных этапов
роста первичных корней, то для полевого опыта по инокуляции семян нами были использованы эти три препарата, а для вегетационного опыта все семь.
Таблица 2.
Влияние инокуляции на прорастание семян полбы к - 33226,
длину и количество первичных корней
(лабораторные опыты, 3-й день)
Всхожесть семян
Длина корня
Кол-во корней
Препараты
прирост к
прирост к
шт.
%
см
шт.
контролю, %
контролю, %
Контроль (без
80
80
2,4
100
3
100
инокуляции)
Агрофил
87
87
2,6
108
4
133
Азоризин
90
90
3,1
129
4
133
Мизорин
84
84
2,7
113
4
133
Мобилин
82
82
2,8
117
5
167
Ризоагрин
92
92
3,2
133
4
133
Флавобактерин
93
93
2,8
117
5
167
Экстрасол
85
85
2,6
108
4
133
НСР05
4,6
0,2
0,2
Результаты вегетационных и полевых опытов показали, что предпосевная
инокуляция семян полбы к – 33226 способствовала усилению роста растений в
высоту (до 19%), увеличению листовой поверхности (до 30%), в том числе двух
верхних листьев (до 13%), непосредственно принимающих участие в наливе
зерна (рис. 2), накоплению биомассы растений (до 33%) (табл. 3).
8
100
кв. см
80
60
40
20
0
а
б
в
г
кв. см
(1)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Кон-ль (без инокул.)
Азоризин
флаговый лист
Ризоагрин
Флав-рин
предфлаговый лист
(2)
Обозначения: Фазы развития растений: кущение (а), выход в трубку (б), колошение (в), цветение (г).
Рис. 2. Влияние штаммов ассоциативных ризобактерий на площадь листьев
растений полбы к- 33226 (1), флагового и предфлагового листьев полбы к –
33226 (2) (полевой опыт, 2002 – 2004 гг., среднее за 3 года).
Аналогичная тенденция увеличения ростовых параметров, накопления
биомассы отмечена и у двух других исследованных нами образцов полбы (к –
7516 и к – 7349).
Таким образом, в лабораторном, вегетационном и полевом опытах нами
отмечена отзывчивость растений образцов полбы на инокуляцию штаммами
ризобактерий. Предпосевная инокуляция семян трех образцов полбы способствовала усилению ростовых показателей и накоплению биомассы растений.
Наиболее эффективными были препараты ризоагрин и азоризин.
9
Таблица 3
Влияние инокуляции семян бактериальными штаммами на накопление
биомассы растениями полбы к – 33226, к – 7516 и к – 7349
(полевой опыт, 2002 – 2004 гг., среднее за 3 года на 10 растений)
Вариант
Кон-ль (без
инокул.)
Азоризин
Ризоагрин
Флав-рин
НСР0,5
Кон-ль (без
инокул.)
Азоризин
Ризоагрин
Флав-рин
НСР0,5
Кон-ль (без
инокул.)
Азоризин
Ризоагрин
Флав-рин
НСР0,5
Кущение
Выход в
трубку
г
%
г
0,7
100
2,0
100
0,9
0,8
0,9
0,1
129
114
129
2,4
2,2
2,1
0,1
120
110
105
0,7
100
1,7
100
0,8
0,8
0,8
0,1
114
114
114
2,1
2,3
2,2
0,2
124
135
129
0,7
100
1,3
100
0,9
0,9
0,9
0,1
129
129
129
1,6
1,6
1,6
0,1
123
123
123
Колошение
%
г
к - 33226
Цветение
Солома +
полова
%
г
%
г
%
4,3
100
7,1
100
13,2
100
4,7
5,7
4,2
0,2
к - 7516
109
133
98
8,2
8,8
7,8
0,1
116
124
110
14,3
14,7
13,6
0,5
108
112
104
5,0
100
7,1
100
12,8
100
5,5
5,4
5,1
0,1
к - 7349
110
108
102
8,0
8,3
8,6
0,4
113
117
121
13,9
14,4
14,1
0,8
109
113
110
4,3
100
7,8
100
10,9
100
5,1
5,1
5,1
0,3
119
119
119
8,9
9,1
8,5
0,3
114
117
109
11,7
11,7
11,8
0,5
107
107
108
5. Влияние бактериальных препаратов на чистую продуктивность
фотосинтеза полбы в полевых и вегетационных опытах
Величина прироста сухой массы растения за определенный период вегетации определяется балансом интенсивности фотосинтеза и дыхания в дневное
и ночное время суток. Отражением этого баланса является величина чистой
продуктивности фотосинтеза (ЧПФ), которая у пшеницы и других колосовых
злаков рассчитывается на единицу площади листьев (Андрианова, Тарчевский,
2000). В литературных источниках нами не было выявлено четких закономерностей воздействия диазотрофов на чистую продуктивность фотосинтеза яровой пшеницы, поэтому одной из задач нашего исследования было определение
влияния бактериальных штаммов на чистую продуктивность фотосинтеза полбы, как одну из составляющих формирования урожая.
В условиях вегетационного опыта чистая продуктивность фотосинтеза в вариантах с инокуляцией возрастала на 6 – 31%, а условиях полевого опыта ЧПФ
возрастала до 25% (табл.4). Наибольший прирост ЧПФ отмечен у образцов
10
полбы к-33226 (колошение, цветение) и к-7516 (выход в трубку, цветение).
Аналогичные результаты были получены и в вегетационных опытах.
Таблица 4.
Влияние инокуляции диазотрофами на чистую продуктивность
фотосинтеза полбы (полевой опыт, 2002 – 2004 гг.,
среднее за 3 года на 10 растений)
Выход в трубку
Колошение
Цветение
Вариант
2
2
%
г/м
%
г/м2
%
г/м
к - 33226
Контроль (без
4,3
100
7,5
100
12,0
100
инокуляции)
Азоризин
4,5
105
7,7
103
13,2
110
Ризоагрин
4,5
105
8,4
112
12,1
101
Флавобактерин
4,4
102
7,6
101
14,6
122
НСР0,5
0,1
0,2
0,1
к - 7516
Контроль (без
4,0
100
11,1
100
8,6
100
инокуляции)
Азоризин
4,5
113
11,2
101
9,4
109
Ризоагрин
4,9
123
11,9
107
9,7
113
Флавобактерин
5,0
125
11,7
105
9,8
114
НСР0,5
0,4
0,4
0,3
к - 7349
Контроль (без
2,5
100
12,0
100
15,4
100
инокуляции)
Азоризин
2,6
104
12,3
103
15,9
103
Ризоагрин
2,6
104
12,2
102
17,3
112
Флавобактерин
2,6
104
12,4
103
16,0
104
НСР0,5
0,1
0,2
0,2
Таким образом, предпосевная инокуляция семян полбы штаммами ассоциативных ризобактерий способствует приросту ЧПФ у образцов исследованной нами полбы.
6. Формирование структуры урожая пшеницы полба при инокуляции семян ассоциативными диазотрофами
Важнейший показатель эффективности действия бактериальных препаратов на растения – урожайность. В научной литературе присутствуют различные
данные исследователей по влиянию ризосферных азотфиксирующих микроорганизмов на формирование урожайности посевов зерновых культур. Нами исследовано влияние бактериальных препаратов на такие элементы структуры
урожая полбы как продуктивное кущение, число колосков, число зерен, абсолютная масса 1000 зерен, общая биомасса растений полбы и масса зерна.
11
В вегетационных опытах наиболее высокое значение продуктивного кущения отмечено у растений к – 33226 (1,0 – 1,8 шт.). Применение бактериальных препаратов способствовало увеличению числа зерен на 6 – 17% (222 шт. –
245 шт., на сосуд) по сравнению с контролем (209 шт.), абсолютной массы зерна до 14% (31,9 г), сухой массы растений до 12% (22,2 г на сосуд), массы зерна
до 23% (7,5 г на сосуд). В полевом опыте наибольшее влияние на изменение
продуктивного кущения отмечено в варианте с препаратом ризоагрин (до 0,8
шт.). Число колосков полбы к – 33226 в опытных вариантах увеличивалось до
11% (1394,8 шт. на 100 растений), зерен до 7% (2183,7 шт. на 100 растений).
Абсолютная масса зерна возрастала до 13% (35,5 г). Сухая масса растений увеличилась до 11% (63,2 ц/га), масса зерен до 15% (21,7 ц/га) в вариантах с применением ризобактерий (табл. 5).
Таблица 5.
Влияние инокуляции семян ассоциативными ризобактериями на
продуктивность полбы (полевой опыт, 2002-2005 гг., среднее за 4 года)
Вариант
Сухая масса
ц/га
Масса зерен
%
ц/га
%
К (хоз.)
к - 33226
Контроль (без
инокуляции)
Азоризин
Ризоагрин
Флавобактерин
НСР0,5
57,0
100
18,8
100
33,0
62,9
63,2
61,6
4,6
110
111
108
21,7
21,7
21,0
0,9
116
115
112
34,5
34,4
34,0
к - 7516
Контроль (без
инокуляции)
Азоризин
Ризоагрин
Флавобактерин
НСР0,5
40,0
100
18,5
100
34,1
42,4
44,9
43,9
1,2
106
112
110
21,9
21,4
21,0
0,6
118
116
113
37,5
35,1
35,0
к – 7349
Контроль (без
инокуляции)
Азоризин
Ризоагрин
Флавобактерин
НСР0,5
46,0
100
16,1
100
34,4
48,6
48,4
48,8
1,6
106
105
106
17,5
17,2
17,2
0,3
108
106
106
35,2
34,8
34,5
У других образцов полбы прослежены аналогичные тенденции в формировании урожайности растений в вариантах с инокуляцией.
Таким образом, растения полбы проявляли отзывчивость на инокуляцию
семян бактериальными препаратами. Все бактериальные препараты оказывали
стимулирующие влияние на исследуемые образцы полбы. Более отзывчивыми
12
на инокуляцию растений были полбы к- 33226 и к – 7516. Среди бактериальных
препаратов наиболее эффективными в повышении числа колосков и зерен был
флавобактерин, массы зерна – азоризин и ризоагрин.
Для вскрытия возможных причин повышения урожайности растений нами выполнено анатомическое исследование поперечного среза верхнего междоузлия соломины полбы. Известно, что хорошо развитая проводящая система
соломины способна обеспечить транспорт большого количества питательных
веществ в колосе, что положительно влияет на зерновую продуктивность
(Пыльнев, 1993). Наиболее важным для обеспечения колоса ассимилятами является верхнее междоузлие соломины, по которому транспортируется вся масса
веществ из листьев и других органов. Нами проведены исследования по выявлению изменений в анатомическом строении верхнего междоузлия растений
полбы в зависимости от обработки ассоциативными штаммами.
Анализ распределения проводящих пучков в верхнем междоузлии показал, что предпосевная инокуляция семян ассоциативными ризосферными микроорганизмами вызвала некоторое увеличение диаметра соломины (до
1,89±0,02 мм (на 11%), относительно контроля – 1,71±0,06 мм), толщины стенки соломины (до 35,09±0,76 мкм (16%) – контроль – 30,25±1,11 мкм), среднего
суммарного диаметра пучков (в склеренхиме до 82,47±0,27 мкм (20%), в паренхиме – 161,00±0,96 мкм (20%) относительно контроля – 68,89±0,52 мкм и
125,79±0,32 мкм, соответственно).
Показано наличие средней корреляционной связи между каждым анатомическим показателем и массой зерна главного побега.
7. Сравнение эффективности влияния возрастающих доз минерального
азотного удобрения и ассоциативных штаммов ризобактерий на морфофизиологические характеристики и урожайность полбы
В числе задач нашего исследования было:
- определить эквивалент эффективности бактериальных препаратов с действием
определенных доз минерального азота на формирование урожайности полбы.
Выполнению этой задачи способствовало одновременное проведение исследований:
- определение отзывчивости полбы на внесение возрастающих доз минерального азота;
- сравнение отзывчивости полбы и мягкой пшеницы на внесение возрастающих
доз минерального азота.
В полевом опыте выявлено, что внесение минерального азота оказало
стимулирующее действие на развитие ассимиляционной поверхности листьев
(на 42– 212%) (43,6 – 88,9 см2) и суммарное увеличение площади двух верхних
листьев (флагового и предфлагового) на 13 - 48% (29,3 – 38,3 см2). Азотные
удобрения способствовали увеличению сухой биомассы растений на 38 – 187%
(1,1 – 13,8 г), ЧПФ на 6 – 65% (3,3 – 7,1 г/м2) по сравнению с контролем в разные фазы развития растений. Оптимальная доза, при которой наблюдался наи13
больший прирост ассимиляционной поверхности, биомассы растений и ЧПФ,
по сравнению с контрольным вариантом является N60Р60К60 и N90Р60К60.
Учитывая первостепенную значимость азотных удобрений в формировании урожайности, особенно на бедных или средне обеспеченных этим элементом дерново-подзолистых почвах, нами проанализирована отзывчивость полбы
на внесение возрастающих доз минерального азота.
Общая биомасса растений с увеличением дозы азота возрастала на 12 –
40% (51,6 – 64,9 ц/га), масса зерна на 16 – 36% (20,0 – 23,6 ц/га) относительно
контроля (46,3 и 17,3 ц/га, соответственно), но уменьшалась доля зерна в урожае. Оптимальной дозой азота, при которой происходит достоверный прирост
массы зерна (22,9 ц/га), является N60Р60К60.
Таким образом, полба отзывчива на внесение низких и средних доз азотных удобрений. Оптимальной дозой азота, при которой происходил наибольший достоверный прирост ростовых и продукционных показателей по сравнению с контрольным вариантом, является N60Р60К60. Необходимо отметить, что в
варианте N90Р60К60 увеличение ростовых и продукционных показателей, относительно нормы N60P60K60, составило 6 – 30%, что сопоставимо с влиянием некоторых штаммов ризобактерий на эти же показатели. Аналогичные результаты
были получены и в вегетационных опытах.
Далее в наших исследованиях проведено сравнение отзывчивости полбы к –
33226 и яровой мягкой пшеницы Ленинградская – 97 на внесение возрастающих доз азотных удобрений (табл. 6).
Выявлено, что мягкая яровая пшеница оказалась более отзывчивой на
внесение минерального азота, чем полба. Урожайность последней была выше
при низком уровне азотного питания растений в вариантах Р60К60, N15Р60К60,
N30Р60К60 и не уступала в варианте N60Р60К60. При внесении в почву более высоких доз азота N90Р60К60 и N120P60K60 сухая масса растений и масса зерна были
значительно меньше у полбы к – 33226, чем у мягкой пшеницы сорта Ленинградская – 97. Эти различия составили 19 - 23% и 30 - 33%, соответственно.
Таким образом, подтверждено, что полба отзывчива на внесение низких и
средних доз азотных удобрений. Оптимальной дозой азота для получения высоких урожаев полбы является N60Р60К60. Инокуляция семян полбы некоторыми
штаммами ризобактерий (азоризин и ризоагрин) на этом фоне минерального
питания является эффективным способом повышения продуктивности растений
полбы и способствует получению дополнительной массы зерна на 12-16%.
14
Таблица 6.
Сравнение продуктивности полбы к – 33226 и мягкой яровой пшеницы
сорта Ленинградка – 97 на фоне возрастающих доз минерального азота
(полевой опыт, 2003 – 2004 гг., среднее за 2 года)
Вариант
Р60К60
N15Р60К60
N30Р60К60
N60Р60К60
N90Р60К60
N120P60K60
НСР0,5
Полба к –
33226
Ленинградка - 97
Полба к –
33226
Ленинградка - 97
Сухая масса растений
Масса зерна ц/га (%), Б
ц/га (%), А
67,7 (100) 53,0 (100) 22,8 (100) 18,2 (100)
76,9 (114) 59,8 (113) 28,9 (127) 23,5 (130)
77,0 (114) 61,8 (116) 31,1 (137) 25,6 (141)
79,3 (117) 83,3 (157) 31,6 (139) 34,9 (192)
83,1 (123) 102,9 (194) 28,3 (124) 40,6 (224)
82,8 (122) 99,5 (188) 27,6 (121) 37,8 (208)
5,3
7,7
1,9
2,6
Полба/
Пшеница,
%
А
Б
128
129
125
95
81
83
125
123
122
91
70
73
8. Содержание азота, фосфора и калия в зерне полбы и мягкой пшеницы
при использовании бактериальных препаратов
и различных доз азотных удобрений
Следующее направление наших исследований состояло в определении
химических характеристик зерна полбы при использовании бактериальных
препаратов. Нами проведены исследования на агрофоне N60Р60К60 по сравнению
содержания общего азота в зерне пяти образцов полбы и трех сортов мягкой
яровой пшеницы. Максимальные его значения отмечены в зерне образца к33226 (2,83%), к – 7516 (2,54%) и к – 19335 (2,58%) и у пшеницы сорта Иргина
(2,28%).
Далее мы исследовали содержание азота в зерне полбы при действии возрастающих доз азотных удобрений. Максимальное содержание этого элемента
отмечено в варианте N60Р60К60 - 2,76%. Минимальное его содержание наблюдалось в вариантах Р60К60 и N15Р60К60 – 2,25%.
Анализ данных опыта по бактериальным препаратам показал, что инокуляция семян положительно влияет на увеличение содержания азота в зерне
(табл. 7). Наибольшее влияние на увеличение этого параметра оказал препарат
флавобактерин. Этот же препарат положительно влиял на накопление в зерне
фосфора (1,01%). На содержание калия в зерне бактериальные препараты существенного влияния не оказали. Увеличение содержания общего азота в зерне в
вариантах с флавобактерином и азоризином сопоставимо с внесением в почву
азотных удобрений в количестве 30 кг/га.
Следовательно, применение хорошо подобранных, соответствующих определенному образцу полбы штаммов ассоциативных ризобактерий способно не
только увеличить урожай зерна, но и улучшить некоторые его химические характеристики.
15
Таблица 7.
Влияние инокуляции семян ассоциативными ризобактериями
на содержание азота в зерне полбы к – 33226,
(полевые опыты)
N,%
Вариант
среднее за
2002 г
2004 г
среднее, %
2 года
Контроль (без инок.)
2,44
1,99
2,22
100,0
Азоризин
Ризоагрин
Флавобактерин
НСР0,5
2,62
2,47
2,71
0,06
2,15
2,13
2,18
0,08
2,39
2,30
2,45
0,07
107,7
103,6
110,4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По материалам четырехлетних исследований выявлено, что в условиях
Северо-Запада Нечерноземной зоны России на среднеобеспеченной элементами
минерального питания дерново-подзолистой почве полба несколько уступает
по урожайности сортам яровой мягкой пшенице, особенно при внесении повышенных доз минерального азота (N90 и N120).
Одним из перспективных приемов, способных стимулировать всхожесть
семян, ростовые процессы растений, увеличить массу зерна на 12 – 16% и одновременно улучшать его химические характеристики является инокуляция семян бактериальными препаратами, изготовленными на основе ассоциативных
ризобактерий. Наиболее эффективными в наших опытах из проанализированных 7 препаратов оказались азоризин и ризоагрин.
Предпосевная инокуляция семян этими ризобактериями усиливает их
всхожесть, начальные этапы роста корней и их количество. В дальнейшем продолжается стимуляция морфофизиологических показателей, включая усиление
роста растений в высоту, увеличение общей листовой поверхности, в том числе
и двух верхних листьев, а также повышение чистой продуктивности фотосинтеза и увеличение биомассы растений.
Выявлено, что положительное действие ризобактерий проявляется на оптимальной для полбы дозе минерального азота (N60), увеличивая прибавку массы зерна в полевых опытах на 12-16%, а в вегетационных до 23%. Одновременно в зерне увеличивается содержание азота на 8-10% и фосфора на 6%.
При инокуляция семян ассоциативными штаммами ризобактерий наблюдалась тенденция к увеличению диаметра и толщины соломины, суммарного
диаметра проводящих пучков, что позволяет передоложить улучшение транспорта ассимилятов в колос и углубляет понимание причин повышения урожайности при применении ризобактерий.
В серии параллельных полевых опытов с возрастающими дозами азота
установлено, что по своей эффективности в формировании урожая полбы обработка семян некоторыми бактериальными препаратами (азоризин, ризоагрин)
эквивалентна дополнительному внесению 30 кг/га азота.
16
Таким образом, полба – отзывчивая сельскохозяйственная культура на
предпосевное применение ассоциативных ризобактерий. Полученные данные
могут быть использованы как при возделывании данной культуры, в целях повышения ее продуктивности, так и в селекции, направленной на выведение сортов полбы, еще более отзывчивых на применение бактериальных препаратов.
ВЫВОДЫ
1. В лабораторных опытах выявлено, что инокуляция семян полбы бактериальными препаратами на основе ассоциативных ризобактерий повышает всхожесть семян на 5 – 13%, увеличивает количество первичных корней и усиливает их рост в длину на 8-67%.
2. В вегетационных и полевых опытах установлено, что предпосевная инокуляция семян полбы эффективными препаратами азоризин, ризоагрин и флавобактерин стимулирует рост растений в высоту, увеличивает прирост площади листовой поверхности, накопление сухого вещества и чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ), относительно контроля (без инокуляции).
Инокуляция семян полбы этими же препаратами увеличивает урожайность
зерна на 6 – 23% по сравнению с контрольным вариантом.
3. В результате исследования анатомического строения верхнего междоузлия
соломины полбы выявлено, что инокуляция семян эффективными препаратами (азоризин, ризоагрин, флавобактерин) приводит к увеличению диаметра соломины (на 5 – 11%), суммарного диаметра проводящих пучков (на 8 –
20%), что позволяет предполагать повышение интенсивности транспорта ассимилятов в колос.
4. В сравнительных опытах по влиянию возрастающих доз минерального азота
на продукционные процессы полбы установлено, что эффективность действия бактериальных препаратов на ростовые процессы, ЧПФ, накопление
биомассы и урожай зерна эквивалентна дополнительному внесению 30 кг
N/га.
5. Из исследуемых пяти образцов полбы более высокая отзывчивость на применение ассоциативных штаммов бактерий выявлена у трех (к – 33226, к –
7516, к – 7349), которые, тем не менее, уступали по продуктивности сортам
мягкой яровой пшеницы (Иргина, Ленинградка и Ленинградская – 97).
6. Растения полбы к – 33226 имели более высокую урожайность по сравнению
с мягкой пшеницей Ленинградская – 97 на низком азотном агрофоне (N15,
N30) и не уступали на среднем (N60) и проигрывала на высоком (N90, N120).
7. Анализ химического состава зерна показал, что инокуляция семян полбы ассоциативными ризобактериями увеличивает содержание азота в зерне на 8 –
10% (азоризин, флавобактерин). Содержание калия в зерне при инокуляции
семян бактериальными препаратами существенно не изменялось.
17
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Для повышения урожайности образцов полбы и увеличения содержания белка в зерне рекомендуется инокуляция семян бактериальными препаратами азоризин (Azospirillum lipoferum, шт. 137) и ризоагрин (Agrobacterium radiobacter, шт. 204).
2. На дерново-слабоподзолистых супесчаных почвах оптимальным фоном минерального питания для получения высокого урожая и качества зерна
полбы является N60Р60К60. Более высокие дозы азота не приводят к дальнейшему повышению урожайности и улучшения его химических храктеристик.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи ведущих рецензируемых научных журналах Российской Федерации
1. Кондрат С.В. Ростовые процессы, продуктивность и качество зерна полбы
при инокуляции семян ассоциативными штаммами ризобактерий // Известия
Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. Аспирантские тетради. – СПб., 2006. – № 5(23). С. 95 – 99.
2. Кондрат С.В. Продуктивность и качество зерна полбы при инокуляции семян ассоциативными штаммами ризобактерий // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: «Естественные науки». М.,
2006. С. 125-127.
Остальные статьи и тезисы
3. Кондрат С.В., Фролова З.А. Влияние инокуляции семян ассоциативными
штаммами бактерий на рост и продуктивность пшеницы полбы Triticum dicoccum (Shrank) Schuebl. // Герценовские чтения. Материалы межвузовской
конференции молодых ученых. – СПб., 2003. – Вып. 3. – С. 18 – 19.
4. Кондрат С.В., Свежанкина В.В. Рост и продуктивность пшеницы полба при
внесении возрастающих доз минерального азота // Герценовские чтения.
Материалы межвузовской конференции молодых ученых. – СПб., 2003. –
Вып. 3. – С. 20.
5. Воробейков Г.А., Кондрат С.В. Рост и продуктивность растений полбы Triticum dicoccum (Shrank) Schuebl. при инокуляции семян ассоциативными
штаммами бактерий // V съезд общества физиологов растений России. Международная конференция « Физиология растений – основа фитобиотехнологии». – Пенза, 2003. С. 180 – 181.
6. Кондрат С.В., Фролова З.А. Влияние инокуляции семян ассоциативными
штаммами бактерий на рост и продуктивность пшеницы полба. // Герценовские чтения. Материалы межвузовской конференции молодых ученых.–
СПб., 2004. – Вып. 4. – С. 21 – 22.
7. Кондрат С.В. Продуктивность пшеницы полба и мягкой яровой пшеницы на
дерново-подзолистых почвах // Сборник материалов IV методологического
семинара 16 – 18 ноября 2004 года. Методология и методика научных исследований в области биологического и экологического образования.– СПб.,
2004. – Вып.3 – С. 191 – 193.
18
8. Кондрат С.В., Воробейков Г.А. Эффективность инокуляции семян бактериальными препаратами в формировании зерновой продуктивности полбы //
Материалы молодежного форума «Агробиотехнологии и экологическое земледелие». – Владимир, 2005 С. 74 – 75.
9. Кондрат С.В., Овчинникова Е.В. Ростовые процессы Triticum dicoccum
(Shrank) Schuebl. при инокуляции семян ассоциативными ризобактериями //
Герценовские чтения. Материалы межвузовской конференции молодых ученых.– СПб., 2005. – Вып. 5. – С. 15 - 17.
10. Кондрат С.В. Рост, продуктивность и качество зерна пшеницы полба при
использовании ассоциативных ризобактерий // Материалы IV Всероссийской конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических ВУЗах – Новосибирск, 2005. – Вып. 4. – С. 66 – 68.
11. Кондрат С.В. Роль ассоциативных азотфиксаторов в формировании продуктивности разновидностей полбы // Международная конференция «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия». – Вологда, 2005. С. 83.
12. Воробейков Г.А., Кондрат С.В. Повышение продуктивности пшеницы полба
Triticum dicoccum (Shrank) Schuebl. при использовании ассоциативных ризобактерий // VI международный симпозиум «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». Пущино, 2005. С. 38 – 40.
13. Кондрат С.В. Анатомическая структура соломины полбы при инокуляции
растений штаммами ассоциативных ризобактерий // Международная конференция «Проблемы биологии растений». – СПб., 2006. С. 248 – 251.
19