Сельскохозяйственная биология, 2010, № 1, с. 75-80.

УДК 633.358:631.559.2:631.466.12

БИОЛОГИЧЕСКАЯ И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНДОМИКОРИЗЫ В СОРТОВЫХ ПОСЕВАХ Pisum sativum L. В УСЛОВИЯХ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Н.В. ПАРАХИН, Ю.В. КУЗМИЧЕВА, С.Н. ПЕТРОВА

В полевом опыте на темно-серой лесной среднесуглинистой почве изучали линейные и функциональные показатели фотосинтеза и азотфиксации при инокуляции растений разных сортов гороха посевного препаратом арбускулярной микоризы, содержащим Glomus intraradices и G. fasciculatum. Выявлен сортовой полиморфизм культуры и показан высокий хозяйственный и экономический эффект интродукции эндомикоризных грибов в ризосферу гороха сортов Спартак и Фараон.

Ключевые слова: арбускулярная микориза (АМ), генотип, горох посевной, азотфиксация, функциональная активность фотосистемы II (ФС II).

Интенсификация сельскохозяйственного производства в 1960-2000 годах, сопровождавшаяся увеличением количества применяемых азотных и фосфорных удобрений, привела к значительному снижению естественного плодородия почв, качества сельскохозяйственной продукции, загрязнению воды и воздуха (1-4), чем обусловлена возрастающая роль биологизации агротехнологий и максимального использования потенциала растений. В связи с этим особое внимание привлекают зернобобовые культуры, обладающие уникальной способностью к тройному симбиозу с полезной почвенной микрофлорой (5, 6), и в частности горох — одна из важнейших зернобобовых культур как в Орловской области, так и в целом по России (7, 8).

Арбускулярная микориза (АМ), формируемая большинством наземных растений с грибами Glomeromycota, — наиболее распространенная и экологически значимая форма растительно-микробных взаимодействий (9, 10). Считается, что АМ служит источником биоразнообразия фитоценозов (11), может использоваться в качестве восстановителя нарушенных экосистем (12-15). Она усиливает рост растений и обеспечивает улучшенную ассимиляцию труднорастворимых фосфатов и других питательных элементов (4, 16-18), представляя собой естественную альтернативу внесению больших количеств удобрений, главным образом фосфорных. Микориза может играть ключевую роль при формировании продуктивности посевов, а также в обеспечении «устойчивого сельского хозяйства» (17, 19, 20) за счет селекции симбионтов с высокой адаптивностью и активностью. Согласно данным литературы, АМ оказывает на растения общестимулирующий эффект, значительно повышая урожайность (5, 21-23). При этом микоризные грибы участвуют и в защите растений от патогенных организмов (24, 25).

Учитывая, что большую роль в активизации симбиоза бобовых культур играет генотип сорта (26), мы изучили возможность создания высокоэффективного растительно-микробного сообщества на основе взаимодействия зигомицетных грибов, принадлежащих к порядку Glomales, с растениями гороха различных морфотипов.

Методика. Исследования проводили в 2008-2009 годах (Орловская обл.) в полевом селекционном севообороте на растениях трех сортов гороха посевного с различной архитектоникой листа — Спартак, Темп и Фараон. В состав использованного препарата АМ (Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии, г. Санкт-Петербург—Пушкин) входили грибы Glomus intraradices и G. fasciculatum. АМ вносили в почву перед посевом из расчета 5 ц/га.

Почва опытного участка темно-серая лесная среднесуглинистая, подстилаемая лессовидным суглинком, средней окультуренности (среднее содержание гумуса — 5,1 %, подвижного фосфора — 23,3, обменного калия — 9,7 мг/100 г почвы, рН_сол. — 5,3, гидролитическая кислотность — 4,4 мг-

экв/100 г почвы). Предшественник — ячмень. Микрорельеф участка выровненный. Площадь делянки — 10 м², повторность 4-кратная, размещение делянок систематическое со смещением.

Вегетационный период 2008 года в целом характеризовался достаточно высокими температурами воздуха и пониженным количеством осадков (за исключением II декады июля, когда оно превышало среднемноголетнее значение в 3 раза). Для 2009 года было свойственно недостаточное количество осадков в период прорастания семян и начального роста растений, что провоцировало низкую всхожесть.

Надземную и корневую фитомассу учитывали, как описано (27). Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена (А.И. Чундерова, 1980) в модификации В.П. Орлова (1984) и А.С. Шаина (1990) (28). Функциональное состояние фотосинтетического аппарата растений оценивали по величине индукции флуоресценции хлорофилла листьев у интактных растений, регистрируемой портативным прибором Mini-PAM («Walz», Германия) (29), площадь ассимиляционной поверхности листьев — с помощью фотопланиметра Li-3000c (фирма «Li-COR», США).

Данные обрабатывали статистически по Б.А. Доспехову (30), используя компьютерные программы.

Результаты. Разнообразие метеорологических условий по годам наблюдений позволило дать разностороннюю оценку влияния микоризы на продуктивность гороха посевного в условиях Орловской области.

Известно, что взаимодействие с эндофитными грибами практически всегда приводит к изменению свойств растения (физиологических, биохимических), степень выраженности которого зависит от генотипа, возраста растения и гриба, условий внешней среды (31, 32). В наших опытах эндомикоризные грибы положительно повлияли на общее физиологическое состояние растений и продукционный процесс, прежде всего на фотосинтетическую активность. При этом проявились существенные различия между генотипами гороха посевного как по линейным, так и по функциональным показателям.

Так, средняя площадь ассимиляционной листовой поверхности (2008-2009 годы) у сортов гороха Спартак, Темп и Фараон составила в контроле соответственно 10,17; 12,76 и 9,19 тыс. м²/га, в опыте (при интродукции АМ) — соответственно 9,40; 14,08 (P₀ < 0,05) и 10,22 тыс. м²/га  (P₀ < 0,05). То есть листочковый сорт Темп во все годы исследований характеризовался наибольшими, афильный сорт Фараон с редуцированными листовыми пластинами — наименьшими, сорт-хамелеон Спартак с ярко выраженной ярусной гетерофилией — промежуточными показателями. Использование грибов-микоризообразователей инициировало увеличение площади листовой поверхности у сортов Темп и Фараон (в среднем за 2 года соответственно на 10 и 11 %).

При интродукции эндомикоризных грибов у растений сорта Спартак квантовый выход, характеризующий эффективность фотосистемы II (ФС II) листьев, повысился на 62 % (рис. 1) без изменения их площади. У растений сорта Темп (наряду с увеличением площади листовой поверхности) активизировались фотохимические процессы как в листьях, так и в прилистниках, где квантовый выход превышал контроль на 6 %. У сорта Фараон при меньшем значении Yield ФС II за счет увеличения площади прилистников произошла компенсация их недостаточной фотосинтетической активности (см. рис. 1). Другими авторами также показано, что инфицирование грибами АМ улучшает показатели фотосинтетической деятельности растений (площадь листовой поверхности, скорость фиксации СО2, содержание хлорофилла), усиливает отток продуктов фотосинтеза в корни (32), активизирует фотохимические процессы в растении (33, 34).

Усиление фотосинтетической активности растений отразилось на процессах азотфиксации, причем степень обнаруженного влияния зависела от сорта (рис. 2). Во все годы исследований наиболее мощный симбиотический аппарат формировали растения листочкового сорта Темп как при спонтанном заражении клубеньковыми бактериями, так и при внесении в почву препарата АМ (во втором варианте отмечалось увеличение числа и массы клубеньков соответственно на 55 и 73 % по сравнению с контролем).

У сорта Фараон интродукция фосфатмобилизующих микроорганизмов также привела к усилению нодуляции корней растений (число и масса клубеньков превышали контроль на 30 %). У сорта Спартак положительного влияния на эти показатели не отмечали.

Известно, что ярко выраженные межсортовые различия по способности к симбиозу у самоопыляющихся видов представляют собой норму (35) и зависят не только от генотипа растений (36), но и от его географического происхождения (37).

Существенный рост массы и числа клубеньков, вызванный интродукцией эндомикоризных грибов, у сорта Фараон не только не активизировал, но даже ингибировал активность нитрогеназного комплекса (рис. 3), что, вероятно, связано с низкой активностью аборигенных штаммов клубеньковых бактерий, а также типом фотосинтеза и более быстрой утилизацией азота у усатых форм гороха (38). В то же время интенсивность усвоения азота воздуха у растений сорта Спартак и Темп под воздействием симбионта повышалась соответственно на 9 и 40 % (см. рис. 3). То есть для более полной характеристики эффективности симбиотического аппарата требуется оценивать его функциональную активность.

Таким образом, биологическая эффективность АМ во многом зависела от генотипа, который обусловливал различный механизм ее действия. Так, у сорта Спартак эндомикоризные грибы стимулировали фотохимические реакций в листьях, повысив активность нитрогеназного комплекса. У сорта Фараон в ответ на интродукцию АМ увеличились ассимиляционная площадь листовой поверхности и величина симбиотического аппарата. У сорта Темп, проявляющего наибольшую отзывчивость на применение грибов Glomus, возросли как линейные, так и функциональные показатели, характеризующие изучаемые процессы.

Сортоспецифичная реакция фотосинтетической и симбиотической системы морфотипов проявилась и в формировании урожайности. Так, у сортов Спартак, Темп и Фараон в среднем за 2 года она составила: в контроле — соответственно 3,86; 3,58 и 2,83 т/га, в опыте — соответственно 4,76 (прибавка 23,3 %, P₀ < 0,05), 3,29 и 3,07 (прибавка 8,5 %, P₀ < 0,05). То есть в условиях 2008-2009 годов наиболее продуктивным был сорт-хамелеон Спартак (3,86 т/га). Наименьшая урожайность у сорта Фараон, возможно, связана с более низкими фотосинтетическими возможностями этого морфотипа.

Таким образом, хозяйственный эффект ассоциации эндофит—растение во многом зависит от генотипа растения и может быть как положительным, так и отрицательным. Наибольшую прибавку урожая семян при использовании АМ отмечали у сорта Спартак (23,3 %), что было обусловлено высокой функциональной активностью листьев и симбиотического аппарата. Положительный хозяйственный эффект от применения микробиологического препарата также был выявлен у сорта Фараон (прибавка 8,5 % за счет увеличения размеров фотосинтетического и симбиотического аппаратов). В то же время повышения урожайности зерна (в среднем за 2 года) от внесения АМ у сорта Темп не обнаружили, что можно объяснить конкуренцией потребляющих органов за ассимиляты (39, 40). Иными словами, у растений этого сорта при увеличении степени нодуляции корней на 55 % и нитрогеназной активности на 40 % происходило изменение направления транспорта ассимилятов (отток в корни), приводящее к их дефициту в других органах.

Использование препарата АМ как элемента агротехники в посевах сорта Спартак обеспечило также положительный экономический эффект, увеличив чистый доход на 21,7 %.

Итак, наибольшая эффективность препарата арбускулярной микоризы отмечена в посевах гороха гетерофильного сорта Спартак, что выражалось в интенсификации основных физиологических процессов и значительном повышении урожайности семян. Выявленный рост урожайности и наблюдаемый экономический эффект позволяют утверждать, что для этого сорта и сорта Фараон использование препаратов на основе грибов рода Glomus перспективно при производстве зерна и семян.

Авторы выражают благодарность сотрудникам лаборатории селекции гороха и фасоли, лаборатории микробиологии Всероссийского НИИ зернобобовых и крупяных культур (г. Орел), а также сотрудникам лаборатории экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург—Пушкин) за помощь в проведении эксперимента.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. B u m b  B.L.,  B a a n a n t e  C.A. The role of fertilizer in sustaining food security and protecting the environment. In: Food, agriculture and the environment discussion paper 17. Int. Food Policy Res. Institute, Washington, DC, 1996.
2. P i n s t r u p - A n d e r s o n  P.,  P a n d y - L o r c h  R.,  R o s e g r a n t  M.W. The world food situation: recent developments, emerging issues and long-term prospects. Vision 2020. Int. Food Policy Res. Institute, Washington, DC, 2000.
3. T i l m a n  D.,  F a r g i o n e  J.,  W o l f f  В. e.a. Forecasting agriculturally driven global environmental change. Science, 2001, 292: 281-284.
4. V a n c e  C.P. Symbiotic nitrogen fixation and phosphorus acquisition. Plant nutrition in a world of declining renewable resources. Plant Physiol., 2001, 127: 390-397.
5. Б о р и с о в  А.Ю.,  Ш т а р к  О.Ю.,  К а з а к о в  А.Е. и др. Растительно-микробные взаимодействия и их практическое значение. Мат. Всерос. науч.-практ. конф. «Пути повышения устойчивости сельскохозяйственного производства в современных условиях».  Орел, 2005: 325-348.
6. Н а у м к и н а  Т.С. Селекция гороха (Pisum sativum L.) на повышение эффективности симбиотической азотфиксации. Автореф. докт. дис. Орел, 2007.
7. П а р а х и н  Н.В. Основные приоритеты устойчивого развития растениеводства. Вест.  ОрелГАУ, 2006, 2-3: 28-33.
8. П а р а х и н  Н.В.,  П е т р о в а  С.Н. Сельскохозяйственные аспекты симбиотической азотфисаци. М., 2006.
9. S c h a c h t m a n  D.P.,  R e a d  R.J.,  A y l i n g  S.M. Phosphorus uptake by plants: from soil to cell. Plant Physiol., 1998, 116: 447-453.
10. S c h ü b l e r  A.,  S c w a r z o t t  D.,  W a l k e r  C. A new fungal phylum, the Glomeromycota: phylogeny and evolution. Mycol. Pes., 2001, 105(12): 1413-1421.
11. R e n k e r  C.,  H e i n r i c h s  J.,  K a l d o r f  M. Combining nested PCR and restriction digest of the internal transcribed spaсer region to characterize arbuscular mycorrhizal fungi on roots from the field. Mycorrhiza, 2003, 13: 191-198.
12. V a n  d e r  H e i j d e n  M.G.A.,  B o l l e r  T.,  W i e m k e n  A. e.a. Different arduscular mycorrhizal fungal species are potential determinants of plant community structure. Ecology, 1998, 79: 2082-2091.
13. M a r s h  J.F.,  S c h u l t z e  M. Analysis of arbuscular mycorrhizas using symbiosis-defective plant mutants. New Phytologist, 2001, 150: 525-532.
14. G i a n i n a z z i - P e a r s o n  V.,  G o l o t t e  A.,  C o r d i e r  C. e.a. Root defense responses in relation to cell and tissue invasion by symbiotic microorganisms: Cytological investigations. In: Histology, ultrastructure and molecular cytology of plant-microorganism interactions /M. Nicole, V. Gianinazzi-Pearson (eds.). Dordrecht, The Netherlands, 1996: 127-191.
15. S p r e n t  J.I. Evolution and diversity in the legume-rhizobium symbiosis — chaos theory. Plant and Soil, 1994, 161: 1-10.
16. L i n d e r m a n  R.G.,  P a r t  I. Role of VAM fungi in biocontrol. In: Mycorrhizae and plant health. Role of mycorrhizae in biocontrol. St. Paul, APS Press, 1994: 345.
17. A l l e n  M.F. The ecology of mycorrhizae. Cambridge, University Press, 1991.
18. G i a n i n a z z i  S.,  S c h ü e p p  H. Impact of arbuscular micorrhizas on sustainable agriculture and natural ecosystems. Basel, Birkhauser Verlag, 2002: 129-137.
19. M i l l e r  R.M.,  J a s t r o w  J.D. The application of VA mycorrhizae to ecosystem restoration and reclamation. In: Mycorrhizal functioning. N.Y., Chapman and Hall, 1992: 438-467.
20. B e t h l e n f a l v a y  G.J. Mycorrhizae and crop productivity. Mycorrhizae in sustainable agriculture, 1992, 54: 1-28.
21. R e a d  D.J. An ecological point of view on arbuscular mycorrhiza research. In: Mycorrhizal technology in agriculture. From genes to bioproducts /S. Gianinazzi, H. Schüepp, J.M. Barea e.a. (eds.). Basel, Birkhauser Verlag, 2002: 129-137.
22. М а р ш у н о в а  Г.Н.,  Я к о б и  Л.М. Принципы отбора эффективных культур эндомикоризных грибов. Тез. докл. респ. конф. «Микроорганизмы в сельском хозяйстве». Кишинев, 1988: 166-168.
23. B a r e a  J.M.,  A n d r a d e  G.,  B i a n c i o t t o  V. e.a. Impact on arbuscular mycorrhiza formation of Pseudomonas strains used as inoculants for biocontrol of soil-borne fungal plant pathogens. Appl. Environ. Microbiol., 1998, 64(6): 2304-2307.
24. П р и л е п с к а я  Н.А. Повышение продуктивности агроценозов гороха посевного и яровой пшеницы. Автореф. канд. дис. Орел, 2006.
25. N e w s h a m  K.K.,  F i t t e r  A.H.,  W a t k i n s o n  A.R. Arbuscular mycorrhiza protect an annual grass from root pathogenic fungi in the field. J. Ecol., 1995, 83: 991-1000.
26. П р о в о р о в  Н.А.,  Т и х о н о в и ч  И.А. Эколого-генетические принципы селекции растений на повышение эффективности взаимодействия с микроорганизмами. С.-х. биол., 2003, 3: 11-23.
27. П о с ы п а н о в Г.С. Биологический азот. Проблемы экологии и растительного белка. М., 1993.
28. Ш а и н  А.С. Оценка и создание нового исходного материала клевера лугового с повышенной белковой продуктивностью и азотфиксирующей способностью. Автореф. канд. дис. М., 1990.
29. B i l g e r  W.,  S c h r e i b e r  U.,  B o c k  M. Determination of the quantum efficiency of photosystem II and of nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence in the field. Oecologia, 1995, 102: 425-432.
30. Д о с п е х о в  Б.А. Методика полевого опыта. Изд. 5-е, доп. и перераб. М., 1985.
31. Б л а г о в е щ е н с к а я  Е.Ю. Эндофит—растение как сложная динамическая система. Мат. II съезда микологов России «Современная микология в России». М., 2008: 396.
32. P a r a d i  I.,  B r a t e k  Z.,  L a n g  F. Influence of arbuscular mycorrhiza and phosphorus supply on polyamine content, growth and photosynthesis of Plantago lanceolata. Biologia Plantarum, 2003, 46(4): 563-569.
33. M a c h o n  J.D.  Field evaluation of growth and nitrogen fixation in peas selected for high and low photosynthetic CO2 exchange. Can. J. Plant Sci., 1982, 62: 5-17.
34. T s i m i l l i - M i c h a e l  M.,  S t r a s s e r  R.J. Mycorrhization as a stress adaptation procedure. In: Mycorrhizal technology in agriculture. From genes to bioproducts /S. Gianinazzi, H. Schuepp, J.M. Barea e.a. (eds.). Basel, 2002: 199-210.
35. Т и х о н о в и ч  И.А.,  П р о в о р о в  Н.А. Генетика симбиотической азотфисации с основами селекции. СПб, 1998.
36. T r i p l e t t  E.W. Diazothrophic endophytes: prospects for nitrogen fixation in monocots. Plant and Soil, 1996, 186: 29-38.
37. E d y e  L.A.,  B u r t  R.L.,  N o r r i s  D.O. The symbiotic effectiveness and geographic origin of morphological-agronomic groups of Stylosanthes. Austral. J. Exp. Agr. Anim. Husb., 1974, 14: 349-357.
38. М а к а ш о в а  Р.Х.,  А л и с о в а  С.М.,  А л е к с е е в а  Е.Г. Оценка симбиотических свойств гороха. Тр. по прикл. бот., ген. и сел., 1985, 91: 7-14.
39. Ч и к о в  В.И. Связь фотосинтеза с продуктивностью растений. Соросовский образовательный журнал, 1997, 12: 23-27.
40. Ч и к о в  В.И. Фотосинтез и транспорт ассимилятов. М., 1987.

BIOLOGICAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF ENDOMYCORHYZA USE IN Pisum sativum L. CROPS IN THE CONDITIONS OF ORLOVSKAYA OBLAST’

N.V. Parakhin, Yu.V. Kuzmicheva, S.N. Petrova

In field experiments on taupe forest middle loamy soil the authors studied linear and functional indices of photosynthesis and diazotrophy during inoculation of plants of different pea varieties by the preparation of mycorhyza consisting of Glomus intraradices and G. fasciculatum. The varietal polymorphism of culture was revealed, and the high practical and economical effect of fungi introduction to rhizosphere in sowing of the Spartak and Faraon varieties was shown.

Key words: arbuscular micorrhizas, genotyp, nitrogen fixation, peas, quantum efficiency of photosystem II.

Оформление электронного оттиска