Метод оценки азотфиксирующей способности бобовых растений на основе симбиотических мутантов

УДК 631.461.5:575.24:633.358

Владимир Назарюк,

доктор биологических наук, профессор,

Флюра Калимуллина,

кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник,

Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН,

г. Новосибирск

МЕТОД ОЦЕНКИ АЗОТФИКСИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ СИМБИОТИЧЕСКИХ МУТАНТОВ

Метод основан на изучении действия азота, фиксированного бобовой культурой (с клубеньками и без них), и его последействия на продуктивность и вынос N биомассой растений в течение четырех лет. Установлено, что в условиях лесостепной зоны генотипы гороха, обладающие супернодуляцией, могут фиксировать до 150 кг/га азота.

S u m m a r y

The method is based on investigation of effect and aftereffect of nitrogen, fixed by legume culture (with nodules and without nodules), on productivity and N removal by plant biomass during four years. It is established, that in the conditions of forest-steppe zone genotypes of pea, possessed by super-nodulation are able to fix until 150 kg/ha of nitrogen.

Ключевые слова: бобовая культура, мутант, злак, урожайность, азот, действие и последействие.

Keywords: leguminous plants, mutant, cereal, crop capacity, nitrogen, effect and aftereffect.

Экологически безопасная оптимизация азотного питания растений за счет использования биологического азота требует достаточно обоснованного, простого и надежного критерия оценки симбиотической азотфиксации в агроценозах. Существует несколько способов определения азотфиксирующей способности бобовых культур, получивших распространение в интенсивном земледелии [1, 2]. Наиболее широкое применение в полевых исследованиях нашел способ определения различий в выносе азота между бобовыми и злаковыми культурами [3], а также метод сравнения бобовой культуры с активными и неактивными клубеньками [4]. В основу первого метода положено высказывание о том, что при идентичных условиях выращивания определенных видов бобовых и злаковых культур величина усвоенного азота из почвенных ресурсов у них примерно одинакова.

Отсюда делается вывод, что количество синтезированного азота можно определить по разнице между общим выносом азота бобовой культурой и суммарным потреблением N злаковой. Недостаток первого способа - различные требования бобовых и злаковых культур к абиотическим факторам (световому, температурному), водному и воздушному режимам почвы, что не позволяет устойчиво и с достаточной точностью определять азотфик-сирующую способность растений.

Недостаток второго способа, при котором сравнивается бобовая культура с активными и неактивными клубеньками, неоднозначен: принимается во внимание специфика растения, но не учитывается последействие азота, фиксированного из воздуха. Клубеньки, поступающие в почву в течение вегетационного пе-

риода, независимо от их активности влияют на микробоценоз почвы, что сказывается на запасах азота в виде микробобио-массы и минеральных форм, однако они в расчетах не находят применения. Вероятно, это существенно занижает значимость результатов эффективности бобово-ризобиального симбиоза, в итоге дается неполная оценка испытуемого сорта, гибрида или мутанта растений и ценный селекционный материал может быть выбракован. Не учитываются также изменения в азотном режиме почвы и запасах этого элемента в различных формах, что дает неточную оценку состояния почвенного плодородия.

Полагаем, что аккумулированный в результате азотфиксации азот может быть использован не только в первый год последействия, но и во второй, а для некоторых генотипов и в последующие годы. Это обусловлено использованием растениями не только минеральных форм азота, но и высвобождением его из азотсодержащих легкогидролизуемых органических соединений в результате непрерывно протекающих процессов минерализации ^ иммобилизации фиксированного азота в почве.

Цель настоящей работы - разработать модель интегральной оценки эффективности бобово-ризобиального симбиоза в полевых условиях на основе симбиотических мутантов Pisum sativum.

Исследования проводили в микрополевом опыте на чернозем-но-луговой почве тяжелосуглинистого гранулометрического состава, содержание гумуса в которой (по Тюрину) составило 3,5%, общего азота (по Къельдалю) - 0,19%, подвижного фосфора (по Чирикову) - 15 мг/100 г и обменного калия (по Масловой) - 12 мг/100 г, рН водной вытяжки 6,8. Опыт проводили на делянках

№ 2/ 2016

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ

Таблица 1

Влияние генотипа макросимбионта на урожай, качество и потребление азота растениями гороха в опыте 2005 г.

Таблица 2

Влияние последействия азота, фиксированного различными формами гороха, на синтез надземной биомассы яровой пшеницы, ц/га

Биомасса Содержание, % Вынос

Вариант растений, ц/га азота сырого протеина азота, кг/га

Бесклубеньковый мутант К-20а 84 10,4 0,72 0,19 4,5 1,2 6,0 2,0

Суперклубеньковый мутант К-301а 18,5 21,9 1,73 0,36 10,8 2,2 32,0 7,9

Рамонский-77 23,7 27,3 1,44 0,53 9,0 3,3 34,1 14,5

Линия К-562а 27,3 41,5 1,87 0,67 11,7 4,2 51,1 27,8

НСР0,5 1,5 0,10 0,62 0,23

2,9 0,09 0,56 0,15

Примечание: Над чертой - семена, под чертой - вегетативная масса.

Предшественник

Год Бесклубень- Суперклубень- Рамонский- Линия НСР0,5

исследования ковыи мутант К-20а ковый мутант К-301а 77 К-562а

2006 10,5 23,8 14,8 27,5 17

24,2 48,3 36,0 54,5 2,5

2007 12,9 35,5 18,1 46,3 13,1 35,7 17,7 47,5 11 2,6

2008 7,6 8,6 6,2 8,2 0,3

19,6 21,4 16,7 19,2 1,3

Всего за 3 года 31,0 79,3 50,5 116,0 34,1 88,4 53,4 121,2

Примечание: Над чертой - зерно, под чертой - надземная масса.

размером 50 х 70 см, обернутых полиэтиленовой пленкой, в трехкратной повторности. Для изучения действия и последействия азота, фиксированного различными формами гороха, использовали исходный сорт Рамонский-77 и индуцированные из него мутанты: бесклубеньковый К-20а, суперклубеньковый К-301а, а также линию К-562а, полученную К.К. Сидоровой методом рекуррентной селекции [5]. Последействие азота, фиксированного из воздуха, изучали при выращивании яровой пшеницы сорта Новосибирская 22, содержание сырого протеина рассчитывали по формуле N % х 6,25.

Изучение действия фиксированного азота показало, что минимальный урожай гороха был получен при выращивании бесклубенькового мутанта К-20а, что связано с острым дефицитом азотного питания (табл. 1). В вариантах, где фиксировался азот из воздуха, наблюдалось значительное увеличение урожайности (в 2,2-2,8 раза в вариантах с суперклубеньковым мутантом К-301а и сортом Рамонский-77 соответственно). Самое большое увеличение урожайности (в 3,3 раза) отмечали в варианте линия К-562а. Одновременно возрастало накопление вегетативной массы во

всех вариантах опыта, особенно у линии К-562а. Содержание азота в надземной вегетативной массе зависело от генотипа макросимбионта и было минимальным в варианте, где выращивали растения бесклубенькового мутанта К-20а, существенно выше у мутанта К-301а (в 1,9 раза) и сорта Рамонский-77 (в 2,8 раза). Еще больше азота содержалось в семенах гороха, обладающего супернодуляцией (линия К-562а). Аналогичная закономерность отмечалась при содержании сырого протеина в вегетативной надземной массе. Вынос общего азота семенами и вегетативной массой возрастал во всех формах гороха, особенно у линии к-562а. Это сказалось и на выносе фиксированного азота надземной биомассой, величина которого возрастала в ряду: линия К-562а (70,9 кг) > Рамонский-77 (40,6 кг) > суперклубеньковый мутант К-301а (31,9 кг/га).

Закрепленный в почве азот, фиксированный из воздуха, отразился на продуктивности растений яровой пшеницы в течение двух лет по предшественникам, обладающим супернодуляцией (табл. 2). Даже на второй год последействия азота увеличение надземной биомассы по предшественнику мутант К-301а и ли-

Международный сельскохозяйственный журнал

Таблица 3

Влияние последействия азота, фиксированного различными предшественниками, на вынос азота яровой пшеницей, кг/га

Предшественник 2006 г. 2007 г. 2008 г. Всего за 3 года

Бесклубеньковый 15,0 23,5 15,7 54,2

мутант К-20а 18,3 28,9 21,7 68,9

Суперклубеньковый 41,6 35,6 22,0 99,2

мутант К-301а 50,7 46,0 29,2 125,9

Рамонский-77 21,6 30,3 25,1 34,4 13,4 19,2 60,1 83,9

Линия К-562а 45,9 56,0 20,3 122,2

60,2 64,8 25,6 150,6

НСРо,5 32 3,3 27 3,4 13 2,2 51 7,3

Примечание: Над чертой - зерно, под чертой - надземная биомасса.

нии К-562а относительно мутанта К-20а увеличился в 1,3 раза. Этим формам гороха значительно уступал сорт Рамонский-77, который был в качестве предшественника. Его действие сказывалось на продуктивности растений пшеницы лишь в первый год, в дальнейшем ощутимых изменений в накоплении надземной биомассы не наблюдалось. На третий год последействия азота, фиксированного из воздуха, заметного увеличения зерна и надземной биомассы вообще не было зарегистрировано ни в одном из исследуемых вариантов.

Вынос азота яровой пшеницей в результате последействия фиксированных азотсодержащих соединений изменялся по годам и по вариантам опыта (табл. 3). Величина его возрастала под влиянием предшественников, обладающих симбиотической азотфиксирующей способностью, особенно суперклубеньковых форм гороха. В первый год вынос азота зерном пшеницы был минимальным по мутанту К-20а, предшественники мутант К-301а и линия К-562а относительно бесклубеньковой формы гороха вызвали резкое повышение величины этого показателя (в 2,8 и 3,1 раза соответственно). На второй год произошло значительное снижение выноса азота зерновой продукцией по предшественникам гороха, обладающим супернодуляцией, относительно бесклубенькового мутанта К-20а; у пшеницы, выращенной по сорту Рамонский-77, практически не было замечено возрастания потребленного азота. На третий год опыта лишь по вариантам мутант 301а и линия К-562а в сравнении с бесклубеньковым мутантом обнаружено достоверное увеличение выноса азота зерном, что вызвало повышение содержания сырого протеина. Аналогичную закономерность наблюдали в накоплении сухой надземной биомассы как по вариантам опыта, так и по годам.

Изучение действия и последействия азота, фиксированного из воздуха различными формами гороха, показало, что бесклубеньковый мутант К-20а, использующий азот лишь из почвенных ресурсов, усвоил почти 77 кг/га (рис.). Величина биологического азота у сорта Рамонский-77 была минимальной (всего 55,6 кг/га), у суперклубенькового мутанта К-301а и линии К-562а вынос азота достиг 88,9 и 152,6 кг/га соответственно. Отсюда видно, что если учитывать только действие фиксированного азота, то можно было бы сделать неверную оценку, а именно, суперклубенько-

вый мутант К-301а уступал бы сорту Рамонский-77 в азотфикси-рующей способности. Поэтому предлагаемый метод, учитывающий действие и последействие фиксированного азота, позволяет более достоверно оценивать селекционный материал.

Итак, элементы, необходимые для интегральной оценки азот-фиксирующей способности бобовых растений, можно представить в виде математического уравнения, согласно которому суммарный вынос азота (действие + последействие биологического азота) растениями определяется с помощью различных генотипов макросимбионта. Величину фиксированного азота из воздуха находят по формуле:

N =

simb * аБк аЗк1 аЗк2 аЗкЗ' *мБк мЗк1 мЗк2 м3к3''

где Nsimb - азот, созданный за счет процессов симбиотической азотфиксации, ^Бк - вынос азота бобовой культурой с активными клубеньками, ^Зк1 - вынос азота злаковой культурой в первый год последействия фиксированного азота, во второй год ^Зк2 и в третий ^3к3, N& - вынос азота бобовой культурой без клубеньков, NM - вынос азота злаковой культурой по последействию бобовых растений без клубеньков в первый год, во второй N^2 и в третий N3ß

Это позволяет точнее определять азотфиксирующую способность бобовых растений и расчетную дозу азота, необходимую для получения планируемого урожая.

Литература

1. Демолон А. Рост и развитие культурных растений. М.: Сель-хозгиз, 1961. 400 с.

2. Посыпанов Г.С. Методы изучения биологической азотфиксации азота воздуха. М.: Агропромиздат, 1991. 300 с.

3. Трепачев Е.П. Агрохимические аспекты биологического азота в современном земледелии. М.: Агроконсалт, 1999. 532 с.

4. Сидорова К.К., Назарюк В.М., Кленова М.И. Способ оценки азотфиксирующей способности бобовых культур. Патент на изобретение № 2195104. М., 2002. 3 с.

5. Сидорова К.К., Шумный В.К., Назарюк В.М. Симбиотиче-ская азотфиксация: генетические, селекционные и эколого-агро-химические аспекты. Новосибирск: Академическое издательство «Гео» ИЦиГ СО РАН, 2006. 134 с.

fliura.kalimullina@yandex.ru

№ 2/ 2016