В’ячеслав Січкар, доктор біол. наук, професор, Селекційно-генетичний інститут – Національний центр насіннєзнавства та сортовивчення (Україна)
Під час вирощування зернобобових культур у ризосфері рослин утворюється важливий комплекс корисних мікроорганізмів, які засвоюють азот із атмосфери, перетворюють нерозчинні сполуки фосфору в доступні, а також збагачують ґрунт органічною речовиною.
Між цими окремими групами мікроорганізмів існує інтенсивний обмін продуктами життєдіяльності, внаслідок чого формується живильний ланцюг, куди входять кореневі виділення рослин та продукти обміну ґрунтової мікрофлори. Дослідження свідчать, що за оптимальних умов мікробіологічна маса ґрунту за рік може досягти 192 т/га.
У кореневій зоні рослин (ризосфері) зазвичай міститься 5–10 млрд клітин мікроорганізмів у 1 г ґрунту.
Чисельність і біомаса мікроорганізмів в орному шарі ґрунту (0–15 см) становить: бактерій – 1–10 млрд, або 40–500 г/м2, грибів – 1–10 млн, або 100–1500 г/м2. Крім того, ґрунт населяють також актиноміцети, водорості та нематоди.
За результатами останніх досліджень більшість бактерій існує в природних екосистемах не у вигляді вільноживучих клітин, а вони формують специфічно організовані й прикріплені до субстратів біоплівки, одні з яких активно функціонують, другі перебувають у стані спокою. Вони є трофічними посередниками між ґрунтом і рослиною, позаяк трансформують недоступні для сільськогосподарських культур сполуки в рухомі форми.
Обсяги зв’язування та використання азоту
Залежно від зони вирощування, а також сорту, зернобобові культури зв’язують із повітря 80–150 кг азоту на 1 га, що еквівалентно внесенню 150–300 кг аміачної селітри. Із цієї кількості 80–90% іде на формування власного врожаю, а 10–20% – залишається в ґрунті. В деяких дослідженнях за оптимальних умов соя зв’язувала із повітря до 450 кг/га азоту.
За ефективного симбіозу поліпшується мінеральне живлення рослин, стимулюються їхній ріст і розвиток, збільшується продуктивність, посилюється стійкість до хвороб та шкідників. При цьому спостерігається високий рівень інтегрування фізіологічних і метаболічних процесів макро- й мікросимбіонтів.
Негативне навантаження
Інтенсифікація технологій сільського господарства, крім позитивного впливу на продуктивність, призвела до низки негативних наслідків. По-перше, під час виготовлення азотних добрив затрачається величезна кількість енергії. Підраховано, що на внесення 1 кг азоту мінерального добрива витрачають щонайменше 1,5 л рідкого палива. По-друге – екологічна післядія мінеральних азотних добрив. Атмосферні опади, талі й зрошувальні води вимивають мінеральні азотні сполуки з ґрунту, які концентруються в підземних водах або відкритих водоймищах, а потім потрапляють в організми людей та тварин. Крім того, нітрати і нітрити акумулюються також у вирощуваній продукції, особливо в овочах, силосі тощо. Збагачені сполуками азоту продукти, вода, корм спричинюють гострі шлунково-кишкові розлади у людей і тварин, отруєння, хронічні захворювання. Надзвичайно шкідливими є нітрити, які можуть у значній кількості накопичуватись у продуктах і кормах, токсичність яких у 20 разів є вищою порівняно з нітратами.
Зв’язок азотфіксації з фотосинтезом
Одержаний у результаті симбіозу рослин і мікроорганізмів азот має багато переваг порівняно з мінеральним. Ба більше, біологічна азотфіксація відіграє вирішальну роль у збагаченні ґрунтів азотом. Розрахунки свідчать, що щорічно у світі з мінеральними добривами вноситься 40–50 млн т цього елемента, тоді як завдяки мікробіологічній фіксації – 150–190 млн т.
Отож азотфіксацію за своїм масштабом можна порівняти з фотосинтезом, з яким вона тісно пов’язана. Перша постачає рослині легкодоступні азотовмісні сполуки, а другий забезпечує її енергетичним матеріалом – вуглеводами, які включаються в обмін речовин.
У рослин зернобобових культур, де добре функціонують бульбочки, завжди підвищена активність фотосинтезу. Глюкоза й сахароза, які синтезуються в листках, транспортуються флоемою до бульбочок, де засвоюються бактеріями, що інтенсивно діляться. З іншого боку, бульбочкові бактерії стимулюють процес фотосинтезу завдяки збільшенню листкової поверхні рослин, а також підвищеному накопиченню хлорофілу в фотосинтезуючих органах.
Різниця між дикими та культурними штамами
Бульбочкові бактерії характеризуються вірулентністю, специфічністю, конкурентоздатністю та активністю. Під вірулентністю розуміють їхню здатність проникати в тканини коріння зернобобових культур, розмножуватись там і формувати специфічні органи – бульбочки, де відбувається зв’язування азоту з повітря. Утворення й розвиток бульбочок є тривалим і досить складним процесом, в якому беруть участь гени як рослини, так і бульбочкової бактерії. Специфічність їх полягає в тому, що певний вид бактерій може взаємодіяти лише зі спорідненим видом рослин.
Приміром, бульбочкові бактерії Bradyrhizobium japonicum можуть існувати в симбіозі лише з соєю і вони непридатні для інокулювання інших видів зернобобових культур. Штами бульбочкових бактерій, які існують у природі та створені в процесі селекційної роботи, мають неоднакову конкурентну здатність. Одні з них можуть пригнічувати другі в процесі колонізації кореневих систем. Особливо це є важливим під час внесення в ґрунт, у якому містяться спонтанні бактерії цього виду, високоефективних селекціонованих штамів. До того ж висококонкурентоздатні штами здатні витісняти ґрунтову фітопатогенну мікрофлору і відтак оздоровляти навколишнє середовище.
Активність бульбочкових бактерій полягає у засвоєнні азоту з повітря в процесі симбіотичних відносин і забезпечувати ним рослину-господаря.
Різні штами суттєво різняться за рівнем азотфіксуючої здатності.
Ознаки активної азотфіксації
У своїх дослідженнях упродовж більше 30 років автор та його колеги довели, що існує значна генетична мінливість між різними штамами за інокуляції ними певного сорту зернобобової культури.
Основним показником ефективності симбіозу є кількість і маса бульбочок на рослині, а також азотфіксуюча активність. Якщо перші показники легко визначити візуально, то кількість зв’язаного азоту оцінюють у лабораторних умовах, використовуючи газові хроматографи. Досить інформативними методами оцінки ефективності азотфіксуючого потенціалу є рівень урожайності та вмісту білка в насінні, а також прибавка надземної вегетативної маси. Засіяні зернобобовими культурами поля, де активно проходить азотфіксація, мають темно-зелене забарвлення, а ті, де її немає – бліді, з ознаками хлорозу, особливо на рослинах сої.
Характеристика бульбочкоутворення
У процесі симбіозу зернобобових культур із бульбочковими бактеріями утворюються бульбочки, що розвиваються на корінні. Ці утворення є мініатюрним «заводом», де атмосферний азот зв’язується в доступні для рослини сполуки. Бульбочкоутворення на рослині розпочинається з тісної взаємодії кореневих волосків із ризобіями, які перебувають у ґрунті. Але для цього контакту необхідні певні специфічні умови, оскільки в ризосфері рослини міститься безліч різноманітних мікроорганізмів, у тому числі й азотфіксуючих. За останніми дослідженнями насіння зернобобових культур, яке проростає, а також коренева система, що формується на початкових етапах росту, виділяють спеціальні органічні речовини (метаболіти), які містять вуглеводи, білки, амінокислоти, низькомолекулярні органічні кислоти, що є джерелом енергії для різного виду мікроорганізмів. Їхня поява на поверхні проростаючого насіння та коренів є сигналом для контакту клітин ризобіїв. Крім того, застосування розчинів деяких цих сполук стимулює азотфіксуючу здатність бульбочок у процесі онтогенезу.
Водночас ризобіальні клітини, які містяться в ґрунті поряд із кореневою системою, також здатні до руху в певному напрямку, який визначається градієнтом екстрактивних речовин рослинного походження. Отже, специфічний рух бульбочкових бактерій у природному середовищі зумовлений специфікою речовин, які виділяють насіння, яке проростає, і коренева система. Цим можна пояснити й відмінності між штамами, які більш активно колонізують певні сорти зернобобових культур.
Отож утворення бульбочок у зернобобових культур є складним і тривалим процесом, який включає колонізацію бактерією поверхні кореневого волоска певного періоду розвитку, активізацію nod-генів, проникнення в тканину кореня, розмноження ризобій та формування інфекційної нитки. Після того як бактерія закріпилась на поверхні кореневого волоска, настає розм’якшення стінок клітин кори під дією слизу ризобій та ферменту протопептинази, синтез якого був індукований описаним контактом. При цьому кореневий волосок певним чином скручується, шляхом інтенсивного ділення клітин формується інфекційна нитка, якою бактерії проникають у клітину рослини, де продовжують ділитися, в результаті чого утворюються бактероїди, а в подальшому – бульбочки.
Сорт та азотфіксація
Для максимальної реалізації азотфіксуючого потенціалу зернобобових культур у процесі створення сортів слід добирати комплементарні до них штами бульбочкових бактерій. Краще це робити в польових умовах за наявності природних ризобій у ґрунті, оскільки такі дослідження дають змогу одночасно оцінити й конкурентну здатність досліджуваного штаму. До того ж досить важливо, щоб ґрунт був збалансований за кількістю фосфору та мікроелементів.
За дослідженнями автора за умов посухи нітрогеназна активність більшості сортів сої зменшується більш як у 30 разів. Наприклад, у посушливі роки цей показник варіював у межах 1,6–11,2 мг азоту/рослину/год, тоді як за оптимального водозабезпечення у цих же самих генотипів він сягав 31,7–103,1 мг азоту/рослину/год. При цьому за водного стресу спостерігали значно більшу мінливість нітрогеназної активності. Приблизно такою самою закономірність була і за масою бульбочок, сформованих на одній рослині. Кількість бульбочок за умов посухи зменшувалась повільніше порівняно з середньою їхньою масою на рослині та нітрогеназною активністю.
Форми інокулянтів
Бактеріальні добрива виготовляють у рідкій або сипучій формах. Чисту культуру певного штаму вирощують за стерильних умов на культуральному середовищі із часткою агар-агару, бобового відвару та сахарози.
Рідка форма препарату містить залишки культурального середовища, метаболіти бактерій та 7–10 млрд живих мікроорганізмів у 1 мл. Гектарна норма становить 100 мл. Строк зберігання препарату за температури 4–15°С не перевищує одного місяця. Перед використанням рідкої форми препарат розводять водою в 10 разів і він утворює стійку суспензію, зручну у використанні, особливо для механізованої обробки насіння, оскільки добре утримується на поверхні. Нітрагінізоване насіння варто висіяти протягом доби, а у разі затримки з сівбою – обробити повторно.
Сипучу торф’яну форму традиційно називають ризоторфіном – це зволожена сипка маса темного або бурого кольору, що містить не менш як 2,5 млрд ризобій в 1 г, які розмножені у стерильному торфі з додаванням поживних інгредієнтів і крейди для нейтралізації кислотності. Маса гектарної дози ризоторфіну – 200 г. Строк зберігання за температури 4–15°С – 6–9 місяців.
Сипуча вермикулітна форма має вид зволоженої маси сірого або сіро-жовтого кольору, в 1 г якої міститься 1,5–2,0 млрд бульбочкових бактерій. Строк зберігання препарату – 2 місяці, маса гектарної дози – 200 г.
Для кращого утримання частин торфу або вермикуліту на поверхні насіння до водної суспензії препарату додають прилипач (концентрат барди, патоку, клейстер, латекс, молочні відвійки або гнійну рідину). Не можна використовувати силікатний клей, оскільки він токсичний для бульбочкових бактерій через сильну лужну реакцію розчину.
Нанесення інокулянту на насіння
Механізовану обробку насіння біопрепаратами бульбочкових бактерій (інокуляцію, нітрагінізацію) виконують машинами для протруювання насіння, добрі результати отримують і за використання бетономішалок. Перед роботою ємність машин очищають від залишків отрути, промивають розчином соди, прального порошку й чистою водою відповідно до санітарних норм. Невелику кількість насіння доцільно обробляти вручну. Для цього порцію насіння 100–200 кг висипають на брезент розміром 3×4 м, зволожують суспензією біопрепарату у воді або розчині прилипача та перемішують почергово, піднімаючи протилежні кінці брезенту до рівномірного розподілення препарату.
Інокуляцію насіння біопрепаратами бульбочкових бактерій слід проводити в затінку навісу або в коморі, щоб уникнути дії прямих сонячних променів, які згубні для мікроорганізмів.
Чутливість бульбочкових бактерій до пестицидів
Бобово-ризобіальний симбіоз дуже чутливий до пестицидів, використання яких під час вирощування цих культур є небажаним. Усі протруйники так чи інакше негативно діють на формування бульбочок і знижують їх азотфіксуючу активність. До найменш токсичних належать Фундазол, Вітавакс і Бавістин. Замість хімічних фунгіцидів проти кореневих гнилей та інших захворювань доцільно використовувати препарати мікроорганізмів – антагоністів фітопатогенів БСП, ВП-6М, Хетомік, Фітоспорин, Бацифор, Триходермін та інші, які не поступаються за ефективністю хімічним протруйникам. Вони не чинять негативного впливу на симбіоз нуту з бульбочковими бактеріями, а мікроби-антагоністи, розмножуючись у ризосфері й на корінні рослин, створюють захисний бар’єр від фітопатогенів протягом усієї вегетації. Маса гектарної дози таких біопрепаратів – 100–300 г. Технологічно зручно обробити насіння перед сівбою одночасно препаратами бульбочкових бактерій і мікроорганізмів – антагоністів фітопатогенів.
Нещодавні дослідження автора показали, що протруйники насіння як-от: Ламардор, Ламардор Про, Вінцит Форте, Юнта Квадро, Селест Топ та Радостим не інгібують процес азотфіксації у проростків сої та нуту.
Вплив фосфору на врожайність зернобобових культур
Попри те, що в ґрунтах різного типу переважно міститься достатня кількість сполук цього елемента, вони здебільшого недоступні для рослин. У ґрунті значна кількість фосфору перебуває в формі органічних сполук, або у вигляді важкорозчинних мінеральних форм (фосфати кальцію, алюмінію, заліза). Зробити придатним для засвоєння рослинами цей елемент можливо за допомогою мікроорганізмів. Серед них найвідомішими є арбускулярно-мікоризні гриби, які заселяють ризосферу багатьох видів сільськогосподарських рослин, зокрема й зернобобових. Вони взаємодіють із кореневою системою на принципах симбіозу, тобто як рослина-господар, так мікроорганізми одержують користь від такого співіснування. Мікоризні гриби живляться продуктами фотосинтезу рослин і приносять їм значну користь. За допомогою дуже розвинутих гіфів, які проникають у клітини, ендомікоризні гриби колонізують близько 80% довжини коріння, постачаючи рослинам фосфор, а також такі мікроелементи, як залізо, мідь і цинк. Крім того, мікориза конкурує з фітопатогенами, оздоровлюючи ризосферу та навколишні шари ґрунту.
Мікориза має досить розгалужену сітку міцелію, яка в сотні разів перевищує площу контакту з ґрунтом порівняно з кореневою системою рослини. Це дає змогу більшою мірою забезпечити рослини елементами живлення та водою, особливо за несприятливих умов довкілля.
Нещодавно вчені виявили, що ендомікоризні гриби виділяють специфічну сполуку – гломалин, яка сприяє формуванню ґрунтових агрегатів, що підтримують пористість ґрунту, його аерацію, захищають органічні речовини від шкідливих мікроорганізмів. Наявність значної кількості макроагрегатів (розмір > 250 мкм) у ґрунті поліпшує його структуру, знижує об’ємну щільність, зберігає частки ґрунту від ущільнення.
На жаль, мікоризні гриби дуже вибагливі під час вирощування в чистій культурі за лабораторних умов. Тому сьогодні практично немає вітчизняних препаратів, які можна було б застосовувати у виробничих умовах подібно до азотфіксуючих.
Бактерії, що стимулюють ріст культур
Ще однією категорією є так звані бактерії, що стимулюють ріст різних культур бактерій (СРРКБ), які асоційовані з корінням рослин і розвиваються у ризосфері. Сюди належать види родів Arthrobacter, Azospirillum, Bacillus, Enterobacter, Pseudomonas, Streptomyces тощо. Вони заселяють кореневу систему рослин і виділяють у ґрунт фізіологічно активні сполуки, які поліпшують засвоєння рослинами елементів живлення, стимулюють ріст коріння, деякі з них фіксують атмосферний азот, захищають рослини від ґрунтових патогенів, а також пом’якшують дію таких несприятливих чинників, як посуха, низькі та високі температури.
