Влияние агроэкологических условий и генотипа сорта на формирование и функционирование симбиотического аппарата сои

УДК

Е. Н. ОЗЯКОВА Н. А. ПОПОЛЗУХИНА

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина

ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ГЕНОТИПА СОРТА НА ФОРМИРОВАНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИМБИОТИЧЕСКОГО АППАРАТА СОИ

Изучены динамика формирования симбиотического аппарата и накопление азота в зеленой массе растений в различные фазы развития сои. Показано влияние агро-экологических условий и генотипа сортов на эти процессы, а также экспериментально доказана их взаимообусловленность.

Ключевые слова: симбиотический аппарат, соя, клубенькообразование, азот зеленой массы.

Проблема «биологического азота» приобрела статус приоритетной в науке, а мировое научное сообщество стало активно изучать ее особенности [1]. Актуальность данной проблемы обусловлена тем, что микробиологическое связывание молекулярного азота атмосферы является единственным способом снабжения макросимбионта азотом, при котором не происходит загрязнения окружающей среды. Азот, высвобождающийся из растительных остатков бобовых, практически не накапливается в почве в минеральной форме, что имеет важное экологическое значение, и по своей доступности для последующей культуры не уступает азоту минерального удобрения [2]. Таким образом, с помощью данного процесса возможно развитие экологически ориентированного сельского хозяйства путем сокращения объемов применения азотных удобрений при одновременном снижении энергетических затрат на производство единицы продукции растениеводства.

Развитие симбиотического аппарата в конкретном агроценозе определяется эффективным симбиозом бобовых культур с клубеньковыми бактериями и зависит от генотипа растения-хозяина, а также обусловлено экологическими и гидротермическими условиями, свойствами почвы и рядом других факторов [3, 4].

Цель работы — изучить динамику формирования симбиотического аппарата сои в зависимости от генотипа растений и действия абиотических факторов зоны южной лесостепи Западной Сибири.

Объекты и методы. Исследования проводились на полях лаборатории селекции зернобобовых культур ГНУ СибНИИСХ в 2007 и 2008 гг.

В качестве объекта исследований использовали сорта сои, включенные в Государственный реестр селекционных достижений РФ и рекомендованные к использованию в 10-м Западно-Сибирском регионе: Алтом, Дина, Омская 4, СибНИИСХоз 6, СибНИИК 315, Эльдорадо.

Полевые опыты закладывались на делянках площадью 10 м2, повторность четырехкратная, размещение делянок рендомизированное. Предшественник — яровая пшеница после кукурузы, норма высева —

1 млн всхожих зерен на гектар. Посев проводили сеялкой ССФК-7,0, уборку — комбайном «Хеге 125» в фазу полной спелости. Агротехника — общепринятая для зоны южной лесостепи Западной Сибири.

Содержание азота в зеленой массе растений определяли фотоколориметрическим методом с использованием реакции индофенольной зелени (ГОСТ 13496.4-93).

Учет количества, массы азотфиксирующих клубеньков и расчет показателя — активный симбио-тический потенциал (АСП) проводили по методике Г. С. Посыпанова (1983) [5].

Агрометеорологические условия изучались по материалам наблюдений Омской метеорологической станции. Метеорологические условия в годы исследований были различными, но достаточно типичными для климата южной лесостепи Омской области. Вегетационный период 2007 г. характеризовался обильными осадками (324,3 мм) по сравнению с 2008 г. (150,1 мм). Температура воздуха исследуемых лет была на уровне среднемноголетних показателей с недобором тепла в первой половине вегетации 2007 г.

Статическую обработку экспериментальных данных проводили по методике Б. А. Доспехова (1985) на персональном компьютере по специально разработанным программам.

Результаты и их обсуждение. Бобово-ризобиаль-ный симбиоз — это, по существу, инфекция бобовых растений бактериями рода Rhizobium. Отдельные культуры Rhizobium характеризуются избирательностью (специфичностью) по отношению к растению-хозяину. При наличии в почвенной среде вида Rhizobium japonicum, инфицирующего сою, на корнях растений формируются клубеньки, обладающие способностью усваивать атмосферный азот. Наблюдения за формированием симбиотического аппарата сои показали, что клубеньки формировались на корнях растений. Это свидетельствует о том, что в почве опытного участка присутствовали бактерии данного вида.

По внешнему виду клубеньков можно судить о ценности бактерий, заключённых в них. Обилие клубеньков на корнях, их размеры и розовый цвет —

Динамика формирования симбиотического аппарата в различные фазы развития растений сои

Сорт Количество клубеньков, шт./растение Масса клубеньков, мг/ растение

Бутонизация Цветение Плодообразование Бутонизация Цветение Плодо-образование

СибНИИК 315, стандарт 8,4 17,5 23,6 251,5 754,0 1160,2

Омская 4 8,3 15,0 20,9 249,0 655,0 1089,4

Алтом 9,4 19,0 26,2 282,0 950,5 1438,3

Дина 8,8 18,3 22,1 264,0 827,0 1055,8

Эльдорадо 7,8 16,1 20,3 235,5 644,0 999,4

СибНИИСХоз 6 7,9 12,2 17,6 235,5 508,5 843,0

Среднее по сортам 8,4 16,4 21,8 253,0 723,2 1097,7

НСР05 0,4 0,7 1,5 22,7 65 98,7

эти показатели говорят о высокой активности клубеньковых бактерий. С использованием этих показателей нами была проведена оценка внешнего вида клубеньков. Окраска клубеньков у сои менялась в течение периода вегетации растений. В фазы цветения и плодообразования преобладали клубеньки розового цвета, в фазу созревания они приобретали зеленую окраску. Размеры клубеньков также изменяются по фазам развития растений. В фазу бутонизации они в основном мелкие диаметром 1—2 мм, в фазы цветения и плодообразования преобладают клубеньки шаровидной формы размером 5 — 7 мм.

По данным канадских ученых D. Nash, H. Schul-man (1976), начало образования клубеньков у сои отмечается через 12 дней после посева (в период развертывания первого тройчатого листа). Затем число и масса клубеньков быстро увеличиваются (к цветению), а последующие 5 — 6 недель эти параметры меняются незначительно. После 10 недель активного симбиоза, вследствие старения растений и клубеньков, их число и масса снижаются [6].

Исследования ученых Алтайского НИИ сельского хозяйства П. Р. Шотт и др. (2007) показали, что у зернобобовых культур формирование симбио-тического аппарата начинается на 10—15 день после появления всходов. До фазы цветения идет постепенное нарастание числа и массы клубеньков, затем происходит их отмирание [7].

При изучении процесса формирования сим-биотического аппарата установлена значительная его вариабельность в течение вегетационного периода. Сезонную динамику азотфиксации большинство исследователей связывают с неравномерным обеспечением диазотрофов энергетическим материалом: продуктами фотосинтеза.

При изучении динамики показателей клубенько-образования у растений сои нами были выявлены сортовые различия (табл. 1). Показано, что в среднем за 2007-2008 гг. сорта Алтом, Дина и СибНИИК 315 формировали наибольший симбиотический аппарат, его масса в 1,2-1,7 раза превышала таковую у других исследуемых сортов. Следует отметить, что минимальными значениями количества (12,5 шт./ растение) и массы (529,0 мг/растение) клубеньков характеризовался сорт СибНИИСХоз 6.

Уровень клубенькообразования у сои варьировал как по сортам, так и по фазам развития. В отличие от гороха, у которого максимум клубенькообразова-ния отмечается, как правило, в фазу цветения и происходит снижение его к фазе плодообразования [8],

у сои постепенное нарастание симбиотического аппарата отмечается, начиная с фазы бутонизации, вплоть до фазы плодообразования, когда значения изучаемых показателей достигают максимума.

В среднем по сортам в фазу плодообразования сформировалось в 2,6 раза больше клубеньков в сравнении с фазой бутонизации, масса клубеньков в период бутонизация — плодообразование увеличилась в 4,3 раза.

Уровень клубенькообразования в целом за вегетационный период в среднем за годы исследований по сортам составил 15,5 шт. корневых клубеньков с массой 691,3 мг.

Гидротермические условия 2007 г., в отличие от 2008 г., были наиболее благоприятными для формирования и развития симбиотического аппарата изучаемых генотипов сои. Отличительной особенностью симбиоза сои является более длительный период старения клубеньков, что связано с особенностями роста этой культуры. Установлено, что в период образования бобов на посевах сои в условиях достаточного увлажнения протекает процесс активного симбиоза, т.е. отмечается максимум активного клу-бенькообразования. В условиях достаточного увлажнения 2007 г., на корнях растений формировалось в 1,4 раза больше клубеньков по сравнению с 2008 г. Отмечается также увеличение и массы клубеньков на 273,8 мг, масса одного клубенька составила 45,8 мг.

Активный симбиоз в период образования бобов на посевах сои в условиях достаточного увлажнения отмечен и рядом других исследователей [9, 10].

Учёт количества и массы азотфиксирующих клубеньков необходим при характеристике симбиотического аппарата зернобобовых культур. Активный симбиотический потенциал (АСП) — учитывает массу активных клубеньков и продолжительность их функционирования. Активный симбиотический потенциал за вегетацию определялся по сумме показателей АСП за отдельные межфазные периоды. АСП показывает влияние отдельных факторов среды на активность симбиоза, поскольку они оказывают большее влияние на массу клубеньков с леггемогло-бином, чем на общую массу клубеньков.

У сои активный симбиотический потенциал в средние по влагообеспеченности годы может составлять 12 250 кг' сут./га, при остром дефиците влаги — 521 кг' сут./га [11].

В нашем опыте наиболее высокий АСП среди изучаемых сортов сои сформировался в 2007 г. (табл. 2). В среднем за годы изучения данный пока-

Активный симбиотический потенциал сои, кгхсут./га

Сорт Год Фаза бутонизации Фаза цветения Фаза плодообразования За вегетацию

СибНИИК 315, стандарт 2007 1160,0 3786,0 7386,0 12332,0

2008 852,0 2247,0 4099,2 7198,2

Среднее 1006,0 3016,5 5742,6 9765,1

Омская 4 2007 1204,0 3153,0 6424,5 10781,5

2008 792,0 2274,0 4041,6 7107,6

Среднее 998,0 2713,5 5233,1 8944,6

Алтом 2007 1236,0 4500,0 8853,0 14589,0

2008 1020,0 2895,0 5479,5 9394,5

Среднее 1128,0 3697,5 7166,3 11991,8

Дина 2007 852,0 3231,0 6267,0 10350,0

2008 1260,0 3315,0 5029,5 9604,5

Среднее 1056,0 3273,0 5648,3 9977,3

Эльдорадо 2007 1008,5 3096,0 6090,0 10194,5

2008 876,0 2181,0 3770,4 6827,4

Среднее 942,3 1847,0 4930,2 8511,0

СибНИИСХоз 6 2007 1056,0 2547,0 4815,0 8418,0

2008 828,0 1917,0 3294,0 6039,0

Среднее 942,0 2232,0 4054,5 7228,5

Таблица 3

Доля влияния факторов на процесс клубенькообразования сои, %

Фактор Количество клубеньков Масса клубеньков

Условия года (А) 60,2** 70,0**

Сорт (В) 29,6* 25,1*

Сочетание факторов (АВ) 10,2* 4,9*

* — достоверно при Р£0,05 ** — достоверно при Р£0,01

затель составил 9403,1 кг' сут./га. Наименьшие значения АСП отмечены на ранних этапах органогенеза, к фазе плодообразования показано увеличение АСП, т.к. азотфиксирующие клубеньки у данной культуры активно функционируют в этот период.

Максимальные значения АСП в целом за вегетационный период отмечались у сортов Алтом (11991,8 кг' •сут./га), Дина (9977,3 кг'сут./га) и СибНИИК 315 (9765,1 кг'сут./га), что выше в 1,4—1,6 раза, чем у сортов с меньшими значениями этого показателя.

Величина АСП у сортов сои варьировала в зависимости от гидротермических условий в годы исследований. Следует отметить, что в наиболее благоприятных условиях вегетационного периода 2007 г. при активном формировании клубеньков увеличивалось и значение АСП.

Данные двухфакторного дисперсионного анализа показывают, что на формирование симбиотического аппарата условия выращивания, генотип сорта и их взаимодействие оказывают неравнозначное влияние (табл. 3). Определяющими в процессе формирования количества и массы клубеньков были условия выращивания (60,2; 70,0 %). Доля влияния генотипа на изменчивость изучаемых признаков составила 25,1; 29,6 %. Взаимодействие факторов (АВ) на формирование симбиотического аппарата было достоверным, но незначительным (4,9; 10,2 %).

Химические элементы, поглощаемые растениями из почвы в разных количествах, играют определенную биохимическую и физиологическую роль и ответственны за синтез тех или иных веществ в растительном организме.

Содержание азота в надземной биомассе растений (стебли, листья) зернобобовых культур связано с развитием симбиотического аппарата, что подтверждается исследованиями Г. С. Посыпанова с соавторами [12].

В среднем за годы исследований содержание азота у сои было наибольшим в фазу цветения (табл. 4). В фазу плодообразования из-за отмирания мелких корней и сбрасывания листьев у сои снижалась и эффективность фотосинтеза, закономерно уменьшалось и количество азота в растениях.

Наибольшее накопление азота в зеленой массе растений отмечалось в 2007 г. Слабое развитие сим-биотического аппарата сои в 2008 г. привело к снижению накопления азота в 1,38 раза в фазу цветения, в 1,04 раза — в фазу плодообразования.

Максимальным содержанием азота в листьях и стеблях в фазу цветения в среднем за годы изучения характеризовались сорта Алтом (2,31 %), Эльдорадо (2,24 %), СибНИИК 315 (2,19 %). В фазу плодообра-зования продолжал лидировать сорт Алтом, выделились, кроме того, сорта Дина и Омская 4.

Содержание азота в зеленой массе растений сои, %

Сорт Год Фаза цветения Фаза плодообразования

СибНИИК 315, стандарт 2007 2,70 0,68

2008 1,68 1,01

Среднее 2,19 0,84

Омская 4 2007 1,77 0,98

2008 1,40 0,95

Среднее 1,58 0,96

Алтом 2007 2,74 1,97

2008 1,87 1,26

Среднее 2,31 1,62

Дина 2007 1,73 1,14

2008 1,48 1,10

Среднее 1,61 1,12

Эльдорадо 2007 2,71 0,69

2008 1,78 0,78

Среднее 2,24 0,74

СибНИИСХоз 6 2007 1,52 0,66

2008 1,40 0,79

Среднее 1,46 0,72

Среднее по сортам 2007 2,20 1,02

2008 1,60 0,98

Среднее 1,90 1,00

НСР05 0,17 0,21

Таблица 5

Коэффициенты корреляции между содержанием азота в зеленой массе и количеством клубеньков, их массой у сои

Сопоставляемые признаки Коэффициент корреляции

Фаза цветения Фаза плодо-образования

Содержание азота — количество клубеньков + 0,59* + 0,76**

Содержание азота — масса клубеньков + 0,56* + 0,86**

* — достоверно при Р£0,05

** — достоверно при Р£0,01

Содержание азота в зеленой массе сои прямо коррелировало с количеством клубеньков и их массой ( табл. 5). В фазу цветения корреляционная связь между данными признаками была средней силы, в фазу плодообразования — сильной.

Положительные коэффициенты корреляции между изучаемыми признаками показывают, что процессы образования клубеньков и азотное питание растений взаимообусловлены.

Заключение. Проведенные исследования позволили установить, что развитие симбиотического аппарата сои определяется, прежде всего, агроэкологи-ческими условиями, достаточно велик вклад генотипа сортов и незначителен, но достоверен вклад взаимодействия этих факторов. В более увлажненных условиях 2007 г. формировался наиболее мощный симбиотический аппарат. Клубенькообразование у сои начинается в фазу бутонизации и достигает максимума в фазу плодообразования. Выделен сорт сои Алтом, уникальный по величине и эффективности симбиотического аппарата, способный к максимальному накоплению азота в зеленой массе

растений. Выявлено, что процессы клубенькообразо-вания и накопления азота в зеленой массе взаимообусловлены.

Библиографический список

1. Умаров, М. М. Современное состояние и перспективы исследований микробной азотфиксации / М. М. Умаров // Перспективы развития почвенной биологии. — М., 2001. — С. 47-56.

2. Серегин, В. В. Использование растениями и баланс меченого азота растительной массы бобовых культур / В. В. Серегин // Бюллетень ВИУА. - 2001. - № 114. - С. 155-156.

3. Генетика симбиотической азотфиксации с основами селекции / Под ред. И. А. Тихоновича, Н. А. Проворова. -СПб. : Наука, 1998. - 208 с.

4. Озякова, Е. Н. Урожайность и особенности формирования симбиотического аппарата у сортообразцов зернобобовых культур в южной лесостепи Западной Сибири : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук : 06.01.05 / Е. Н. Озякова. - Тюмень, 2009. - 19 с.

5. Посыпанов, Г. С. Методические аспекты изучения сим-биотического аппарата бобовых культур в полевых условиях / Г. С. Посыпанов // Известия ТСХА. - 1983. - № 5. -С. 17-26.

6. Nash D. Leghemoglobins and nitrogenase activity during soybean root nodule development / D. Nash, H. Schulman // Canad. J. Bot. - 1976. - Vol. 54, № 24. - P. 2790-2797.

7. Шотт, П. Р. Фиксация атмосферного азота в однолетних агроценозах / П. Р. Шотт. - Барнаул : Азбука, 2007. - 170 с.

8. Сравнительное изучение сортов гороха посевного на способность к азотфиксации в условиях Сибирского Прииртышья / Е. Н. Озякова, Н. А. Поползухина [и др.] // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В. Р. Филиппова. - 2008. - № 2. - С. 59-64.

9. Посыпанов, Г. С. Влияние предпосевной обработки фунгицидами и инокуляция семян на показатели симбиотической деятельности посевов сои / Г. С. Посыпанов, Л. А. Буханова,

B. Ф. Федоров // Известия ТСХА. - 1987. - Вып. 1. -

C. 48-53.

10. Каманина, Л. А. Симбиотические и продукционные процессы в посевах сои на различных агрофонах в условиях Приамурья : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Л. А. Каманина. - Благовещенск, 2005. - 22 с.

11. Кобозева, Т. П. Научно-практические основы интродукции и эффективного возделывания сои в Нечерноземной зоне Российской Федерации : автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук / Т. П. Кобозева. - Орел, 2007. - 20 с.

12. Посыпанов, Г. С. Обоснование параметров оптимальной обеспеченности гороха и сои водой, фосфором, молибденом для активной симбиотической азотфиксации / Г. С. По-сыпанов, М. В. Кашукаев, Б. Х. Жерухов // Известия ТСХА. — 1994. — Вып. 2. — С. 33 — 42.

ОЗЯКОВА Екатерина Николаевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры экологии, природопользования и биологии. Адрес для переписки: Ozyakova .е@таП. т ПОПОЛЗУХИНА Нина Алексеевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор (Россия), профессор кафедры экологии, природопользования и биологии. Адрес для переписки: Popolzuxinana@mail.ru

Статья поступила в редакцию 21.03.2014 г. © Е. Н. Озякова, Н. А. Поползухина

УДК 574 3 591 6 С. Б. ЧАЧИНА

Е. В. ГОЛОВАНОВА

Омский государственный технический университет

Омский государственный педагогический университет

ДИНАМИКА ПОПУЛЯЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КОМПОСТНЫХ ЧЕРВЕЙ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ

В лабораторном эксперименте изучались характеристики Eisenia fétida, E. andrei и Den-drobaena veneta при двух уровнях загрязнения почв (20 г/кг и 40 г/кг) нефтью. Все виды показали хорошую выживаемость и продуктивность, и могут быть рекомендованы для рекультивации нефтезагрязненных почв.

Ключевые слова: дождевые черви, загрязнение почв нефтью, вермикультивирование. Работа выполнена в рамках госзадания по проекту: «Факториальная экология дождевых червей в условиях естественных и антропически измененных ландшафтов Урала и Западной Сибири».

По данным Госдоклада «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Омской области в 2013 году», в Омской области в течение трёх лет отмечается значительное увеличение удельного веса проб почв, не соответствующих по санитарно-химическим показателям [1]. Нефтепродукты относятся к перечню веществ, которые учитываются при оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ. Среди обитателей загрязнённой почвы, популяционные показатели дождевых червей определяют возможность восстановления свойств почв [2, 3]. Деятельность люмбрицид приводит к уменьшению концентрации нефти в почве [4]. Предлагается использовать дождевых червей (в большинстве работ навозного

червя) для индикации степени загрязнения почв [5]. Ш. Уанг с соавт. [6] в качестве наиболее чувствительных показателей называют продукцию ювенильных особей, затем количество откладываемых коконов; в качестве наименее чувствительных — смертность и рост взрослых особей. М. Витфилд Аслунд с соавт. [7] отмечает отсутствие острой токсичности нефте-загрязнённых почв для червей (90 % выживаемости), но нарушений у них репродукции. При этом остаётся открытым вопрос о видоспецифичности попу-ляционных характеристик дождевых червей в условиях загрязнения нефтью.

Цель работы: изучение толерантности различных видов компостных червей к внесению нефти в лабораторных условиях.