РОСТОСТИМУЛИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА АЗОТФИКСИРУЮЩИХ И ЭНТОМОПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ

АННОТАЦИЯ

В данной работе изучена ростостимулирующая способность штаммов A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B.thuringiensis 94. Показано, что обработка суспензией культур A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B. thuringiensis 94 усиливает  энергию прорастания, всхожесть и силу роста опытных семян пшеницы по сравнению с контролем. Также было установлено, что при обработке семян культурами A. chroococcum 44 и N. calcicola 25 длина надземной и подземной части пшеницы увеличивается в 1,4 и 1,28 раза и 1,47 и 1,35 раза соответственно по сравнению с контролем.

ABSTRACT

In this work, the growth-stimulating ability of the strains A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B.thuringiensis 94 was studied. It has been shown that suspension treatment of A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B. thuringiensis 94 cultures enhances germination energy, germination and growth strength of experimental wheat seeds compared to the control. It was also found that when seeds were treated with A. chroococcum 44 and N. calcicola 25 cultures, the length of the aboveground and underground parts of wheat increased by 1.4 and 1.28 times and 1.47 and 1.35 times, respectively, compared with the control.

Ключевые слова: ростостимуляция, бактерии, всхожесть, пшеница, А. chroococcum, N. calcicola, B. thuringiensis

Keywords: growth stimulation, bacteria, germination, wheat, А. chroococcum, N. calcicola, B. thuringiensis

Введение

Во всех типах почв, таких как пески, пустыни и почвах вулканического происхождения, а также в болотах и заснеженных почвах, отложениях и полуводных экосистемах, на горных породах встречается обширная микробная флора [15]. В почве обитает большое количество бактерий (в зависимости от типа почв от 10⁸ до 10⁹ клеток на грамм почвы), а количество культивируемых бактериальных клеток в почве обычно составляет лишь около 1% от общего числа присутствующих клеток [17]. Однако в экологически неблагоприятных почвах количество культивируемых бактерий может составлять всего 10³ - 10⁴ клеток на 1 г почвы [21]. Существует большой интерес для использования микробного разнообразия, а также для выделения и разработки на основе функциональных микробов биопрепараты, которые можно использовать в качестве альтернативы традиционным удобрениям. Разнообразный набор бактерий, в том числе виды Arthrobacter, Azospirillum, Azotobacter, Bacillus, Burkholderia, Erwinia, Enterobacter, Gluconacetobacter, Herbaspirillum seropedicae, Klebsiella, Kosakonia, Paenibacillus, Pantoea, Pseudomonas, Stenotrophomonas, Serratia и Xanthomonas, являются перспективными ризобактериями, стимулирующие рост и развитие растений и используемые для ускорения роста многих сельскохозяйственных культур [8, 9, 16, 18, 22]. Известно, что диазотрофы способствуют росту растений за счет своих вторичных метаболитов [9], включая накопление индолил-3-уксусной кислоты (ИУК), солюбилизацию фосфора и продукцию сидерофоров [6, 7].

Материалы и методы исследования

Целью исследования является изучение ростостимулирующих свойств местных штаммов азотфиксирующих и энтомопатогенных бактерий: Azotobacter chroococcum 44, Noctoc calcicola 25, Bacillus thuringiensis 1, Bacillus thuringiensis 94.

Объекты исследования. Объектом исследования явился сорт мягкой пшеницы «Унумдор бугдой» (Triticum aestivum L.). В экспериментах использовали азотфиксирующие и солеустойчивые штаммы Azotobacter chroococcum 44, Noctoc calcicola 25 и штаммы бактерий Bacillus thuringiensis 1, Bacillus thuringiensis 94 [1, 13, 14].

Питательные среды и условия культивирования. Для культивирования бактерий Bacillus thuringiensis использовали МПБ и питательную среду c добавлением пептона (состав, г/л: глюкоза - 5; NaCl- 0,5; K₂HP0₄– 0,5; MgS0₄ – 0,2; пептон - 10) в течение 16-17 часов при температуре 28-30°С [4]. Культуры выращивали на качалке в течение 20 час при температуре 28-30°С в колбах объемом 250 мл. Цианобактерии выращивали на минеральной среде «BG-11₀» без азота [20], в люминостате при 1500 – 2000 лк в течение 5 сут с барботированием смесью воздуха и углекислого газа. Для культивирования A. chroococcum 44 использовали питательную среду «Эшби» [3]. Культуры выращивали в течение 3 сут на качалке при 37°С в колбах объемом 250 мл.

Инокуляция семян и определение ростостимулирующей активности исследуемых штаммов. В экспериментах использовали калиброванные семена пшеницы с всхожестью не менее 90%. Семена перед проращиванием промывали в проточной водопроводной воде, а затем подвергали стерилизации в 0,05%-ном растворе перманганата калия, после чего их помещали в стерильные чашки Петри и заливали стерильной дистиллированной водой для набухания. Через 5-6 час семена помещали между слоями фильтровальной бумаги и инокулировали суспензией исследуемых культур, разведенной до титра 10⁶ кл/мл.

В качестве контроля служили семена растений, обработанные стерильной водой и в различных концентрациях индолил-3-уксусной кислоты (ИУК): 0,1мМ, 3 мМ, 10мМ. Чашки Петри выдерживали в темноте при оптимальной для роста семян температуре 22-24⁰С в течение 7 суток. Для определения энергии прорастания считали количество проросших семян хлопчатника на 3-е сутки, а для определения всхожести – на 7-е сутки. Проросшими считали семена, ростки которых были больше или равными размерам семени. Для определения силы роста семена помещали в сосуды под слой 3 см влажного (60%) песка и на 5-е сутки считали количество проросших семян [2]. Оценку ростостимулирующего действия изучаемых штаммов производили путем измерения длины корней и зеленых проростков семян (на 17 сутки), обработанных бактериальной суспензией, и соответствующих показателей в контроле.

Результаты и их обсуждение

Ранее нами изолированы из различных экологических ниш в чистую культуру местные штаммы Azotobacter chroococcum 44, Noctoc calcicola 25 и штаммы бактерий группы Bacillus thuringiensis 1, Bacillus thuringiensis 94. Было выявлено, что эти штаммы обладают высокой азотфиксирующей и инсектицидной активностью (рис.1) [1, 13, 14].

а)                                        б)                                             в)                                      г)

Рисунок 1. Микрофотографии местных штаммов азотфиксирующих и энтомопатогенных бактерий:

а) Azotobacter chroococcum 44, б) Noctoc calcicola 25, в) Bacillus thuringiensis 1, г) Bacillus thuringiensis 94 (Увеличение: 100 х 13,5)

В данном исследовании изучено ростостимулирующие свойства штаммов A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B. thuringiensis 94. В таблице 1 приведены показатели сравнительного изучения действия суспензии различных штаммов микроорганизмов и концентрации ИУК на прорастаемость семян пшеницы в лабораторных условиях. Выявлено, что обработка суспензией культур A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1, B. thuringiensis 94 повышает энергию прорастания, всхожесть и силу роста опытных семян по сравнению с контролем (табл.1). Значительно высокие показатели на обработку семян выявлено у культуры A. chroococcum 44. В данном случае показатели энергии прорастания и всхожести семян превышали аналогичные показатели в контроле на 16% и 22%. Силу роста опытных семян культуры A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1 и B. thuringiensis 94 стимулируют на 14%, 16%, 12% и 10%, соответственно. Вероятно, положительный эффект действия азотфиксирующих и энтомопатогенных бактерий объясняется продуцированием ими биологически активных веществ (ауксина) [5,10, 11].

Известно, что большое количество разнообразных микроорганизмов участвует в синтезе ауксина, как в чистой культуре, так и в ассоциации, имеющейся в почве. Рядом авторов была отмечена зависимость количества ростков растений от концентраций ауксина в почве. При этом было отмечено, что низкие концентрации гормонов могут стимулировать, а высокие - ингибировать рост растений [12, 19]. Так, в данном контексте более низкая концентрация ИУК (0,1 мМ) имеет стимулирующее действие на энергию прорастания и всхожести семян пшеницы, а более высокие концентрации ИУК (3,0 мМ и 10,0 мМ) ингибирует эти показатели семян (табл.1).

Таблица 1.

Действие азотфиксирующих и энтомопатогенных бактерий на показатели прорастаемости семян пшеницы в лабораторных условиях

Далее о наличии или отсутствии фитостимулирующей способности исследуемых штаммов судили при сравнении длины надземной части и длины корней проростков, обработанных при соответствующем разведении в опытном и контрольном вариантах (табл.2; рис.2). Как видно из таблицы 2, длина надземной части пшеницы, обработанной штаммами A. chroococcum 44 и N. calcicola 25 увеличивалась в 1,4 и 1,28 раза по сравнению с контролем. В то же время данные культуры стимулируют рост и развитие подземной части растений в 1,47 и 1,35 раза к контролю. Культуры B. thuringiensis 1 и B thuringiensis 94 стимулирует рост и развитие семян пшеницы на 46% и 62% (табл.2). Следует отметить, что корнеобразование проростков обработанной суспензией A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1 и B. thuringiensis 94 наблюдается через 1-2 сутки роста, тогда как в контрольном варианте (вода) образование корешков выявлено на 3-4 сутки.

Таблица 2.

Ростостимулирующая активность азотфиксирующих и энтомопатогенных бактерий в отношении семян пшеницы (на 17 сутки)

Контроль                    1- вариант               2- вариант                         3-вариант

Рисунок 2. Рост и развитие корневой системы и стебля пшеницы сорта “Унумдор бугдой” обработанной суспензией Azotobacter chroococcum 44

Исходя из полученных экспериментальных данных, можно заключить, что местные азотфиксирующие и энтомопатогенные бактерии A. chroococcum 44, N. calcicola 25, B. thuringiensis 1 и B. thuringiensis 94 стимулируют прорастание семян пшеницы, рост корневой системы и наземной части пшеницы, ускоряют корнеобразования, что, по-видимому, обусловлено продукцией соединений, стимулирующих рост и всхожесть сельскохозяйственных растений.

Список литературы:

1. Кадырова Г.Х., Шакиров З.С., Сафаров И.В., Хамдамова Н.А., Абдуллаев А.К. Выделение диазотрофных микроорганизмов и их влияние на рост и развитие сельскохозяйственных растений// Вестник аграрной науки Узбекистана. –2017. –№ 3 (69). – С.11-17.
2. Лихачев Б.С. Рекомендации по определению силы роста семян // В сб. Сельское хозяйство за рубежом. –М.Колос. –1984. – С.19-24.
3. Урюмцева Т.И., Кабдрасилова А.М. Разработка рецептуры питательной среды для культивирования бактерий Azotobacter // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. –2019. –No 3 (173). – С.61-65.
4. Халилов И.М., Кадырова Г.Х., Шакиров З.С. Изучение ростостимулирующих свойств местных штаммов Bacillus thuringiensis на различных питательных средах //ДАН РУз. –2019. –№4. – С.64-67.
5. Ahemad, M., and Kibret, M. Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria: current perspective // J. King Saud Univ. Sci. –2014. Vol. 26. – Р.1–20.
6. Arjun Dev Jnawali, Roshan Babu Ojha and Sushma Marahatta Role of Azotobacter in Soil Fertility and Sustainability–A Review// Adv Plants Agric Res. –2015, 2(6): 00069.
7. Arti Mishra, Suryansh Rajput, Preeti Sen Gupta, Vanshika Goyal, Sanskriti Singh, Shikha Sharma, Smriti Shukla, Anamika Singh, Kartikeya Shukla, and Ajit Varma Role of Cyanobacteria in Rhizospheric Nitrogen Fixation. In book: Soil Nitrogen Ecology. –2021, pp.497-519.
8. Bhattacharyya, P. N., and Jha, D. K. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture // World. J. Microbiol. Biotechnol. –2012. Vol. 28. – Р.1327–1350.
9. Carvalho T. L. G., Balsemao-Pires E., Saraiva R. M., Ferreira S. G., and Hemerly A. S. Nitrogen signalling in plant interactions with associative and endophytic diazotrophic bacteria // J. Exp. Bot. –2014. Vol. 65. – Р.5631–5642.
10. Farajzadeh D., Yakhchali B., Aliasgharzad N., Sokhandan-Bashir N., Farajzadeh M. Plant growth promoting characterization of indigenous azotobacteria isolated from soils in Iran// Curr. Microbiol. –2012. Vol. 64. – Р. 397–403.
11. Gupta G., Parihar S. S., Ahirwar N. K., Snehi S. K., and Singh V. Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): current and future prospects for development of sustainable agriculture // J. Microb. Biochem. Technol. –2015. №7. – Р.96–102.
12. Idris E. ElSorra, Domingo J. Iglesias, Manuel Talon, Rainer Borriss Tryptophan-Dependent Production of Indole-3-Acetic Acid (IAA) Affects Level of Plant Growth Promotion by Bacillus amyloliquefaciens FZB42 // Molecular Plant-Microbe Interactions. –2007. Vol.20. №6. – P.619-626.
13. Kadirova G.Kh., Z.S.Shakirov Identification of nitrogen-fixing and salt-resistant cyanobacteria Nostoc calcicola isolated from the rhizosphere of cotton in Uzbekistan // Environmental Science An Indian Journal. – 2012. Vol. 7. № 8. – Р.305-309.
14. Khalilov I., Kadirova G., Khalilova F. Multifuctional properties of Bacillus thuringiensis bacteria strains and a new approach in struggle with a cotton bollworm // International journal of Advanced Science and Technology. –2020. Vol. 29. №5. – Р.1652-1658.
15. Manoharachary, C., and Mukerji, K. G. “Microbial activity in the Rhizosphere,” in Soil Biology, eds K. G. Mukerji, C. Manoharachary, and J. Singh (Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag). –2006. №7.
16. Rafikova G. F., Korshunova T., Yu Minnebaev L. F., Chetverikov S. P., and Loginov O. N. A new bacterial strain, Pseudomonas koreensis IB-4, as a promising agent for plant pathogen biological control // Microbiology. –2016. Vol.85. – Р. 333–341.
17. Schoenborn L., Yates P. S., Grinton B. E., Hugenholtz P., and Janssen P. H. Liquid serial dilution is inferior to solid media for isolation of cultures representative of the phylum-level diversity of soil bacteria // Applied and Environmental Microbiology. –2004. Vol. 70. №7. – Р.4363–4366.
18. Solanki M. K., Wang Z., Wang F.-Y., Li C.-N., Lan T.-J., Singh R. K. Intercropping in sugarcane cultivation influenced the soil properties and enhanced the diversity of vital diazotrophic bacteria // Sugar Tech. –2017. Vol. 19. – Р.136–147.
19. Spaepen S., and Vanderleyden J. Auxin and plant-microbe interactions// Cold Spring Harb. Perspect. Biol. –2011. 3:a001438.
20. Stanier R.Y, Kunisawa R., Mandel M., Cohen-Bazire G. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales) // Bacteriol Rev. 1971, V.35. –N.2. –P.171-205.
21. Timmusk S., Paalme V., Pavlicek T. Bergquist J., Vangala A., Danilas T., Nevo E. Bacterial distribution in the rhizosphere of wild barley under contrasting microclimates// PLoS One. –2011. Vol. 6, no. 3, Article ID e17968.
22. Xing Y.X., Wei C.Y., Mo Y., Yang L.T., Huang S.L., and Li Y.R. Nitrogen-fixing and plant growth-promoting ability of two endophytic bacterial strains isolated from sugarcane stalks // Sugar Tech. –2016. Vol.18. – P.373–379.