Бактеріальні препарати на основі мікроорганізмів є екологічно безпечними, не забруднюють навколишнє середовище, проявляють високу селективну дію та післядію. Це добрива комплексної дії, бо мікроорганізми, що входять до їх складу, не лише фіксують атмосферний азот або трансформують важкорозчинні фосфати, а й синтезують сполуки рістрегуляторної та фітопротекторної дії.
Соя — перспективна стратегічна зернобобова культура
Високий уміст високоякісного легкозасвоюваного протеїну (34–45%), значна кількість вітамінів, мінеральних речовин, олії в насінні зумовлюють її використання як цінної продовольчої культури. На сьогодні відповідно до запитів на органічно чисту продукцію рослинництва актуальним є питання розробки екологічно безпечних біотехнологічних способів підвищення продуктивності сої, зокрема, завдяки передпосівній інокуляції її насіння, а також створення високопродуктивних сортів, які не є ГМО, а призначені насамперед для екологічного землеробства. Позитивним прикладом роботи в цьому напрямі є сорти сої української селекції, зокрема, Мар’яна, Аннушка, Алмаз і бактеріальні інокулянти під сою, запропоновані вітчизняними селекціонерами та мікробіологами.
Сорт Мар’яна (оригінатори Селекційно-генетичний інститут, Одеса; Інститут землеробства НААНУ, Київ; Інститут фізіології рослин і генетики НАНУ, Київ) створений шляхом багаторазового індивідуального добору з гібридної комбінації сортів Київська 27 і Київська скоростигла. Це високобілковий (протеїн — 38,2%, олія — 19,9—26,2%), середньоврожайний (до 3,1 т/га), середньостиглий (в. п. до 120 діб) сорт. Поряд із цим його насіння містить і високий уміст -конгліциніну, що дозволило запропонувати даний сорт для виробництва соєвого молока. Сорт Мар’яна зареєстрований в Україні з другої половини 1990-х рр. Сорт Аннушка (оригінатор ЧП НССФ «Соєвий вік», м. Кропивницький) селекціонований спеціально для органічного землеробства, сертифікується зі статусом «ОРГАНІК». Високопродуктивний (потенціал — 3,4–4,9 т/га), ультраранньостиглий (в. п. 75–85 діб), високобілковий (протеїн — 40–43,2%, олія — 17,5–21,0%). Сорт уведено до реєстру України 2007 року, Росії — 2008-го, Білорусі, Молдови, Європи — 2009 року. Сорт Алмаз отримано методом гібридизації сортів Бельці 3/86-х та Fiskebv-840-5-3, суттєво перевищив (на 6–8 ц/га) норми врожайності сортів, з яких його було отримано. З 2007 року занесений до Реєстру сортів рослин України. Патент №07105. Власниками патенту є Полтавська державна аграрна академія та Л. Г. Білявська. Сорт зернового типу використання, ранньостиглий (в. п. до 100 діб), холодостійкий, посухостійкий, стійкий до хвороб, забезпечує стабільний вегетаційний період тривалістю 100–105 днів. Уміст білка в насінні — 38–39%, олії — 24–26%.
Отже, названі сорти сої, як районований раніше (Мар’яна), так і сучасні (Аннушка, Алмаз), через своє походження можуть застосовуватися в екологічно безпечному органічному землеробстві. Незважаючи на генетичний потенціал сортів Мар’яна й Аннушка, який становить відповідно до 3,1 і 4,9 т/га, реалізується він недостатньо повно, в межах 50–60%, що потребує розробки заходів підвищення ступеня реалізації продуктивного потенціалу сортів. Одним із таких біотехнологічних способів є передпосівна бактеризація насіння культурами специфічних, високоактивних за азотфіксацією й ефективних у симбіозі з рослинами сої бульбочковими бактеріями.
Передпосівна інокуляція насіння сої
Це обов’язкова біотехнологічна операція, що сприяє формуванню вищих урожаїв цієї культури. Внесення на насіння або в ґрунт корисних мікроорганізмів шляхом спеціально розроблених мікробіологічних препаратів на основі селектованих бактеріальних штамів сприяє покращенню росту й розвитку зернобобових культур і підвищує їхню врожайність. Це відбувається завдяки стимулюванню проростання насіння, поліпшенню живлення рослин, активізації фотосинтетичної діяльності, підвищенню їх стійкості до хвороб і шкідників. Соєво-ризобіальні симбіози залежно від різних географічних поясів, агрокліматичних умов, сортів рослин і штамів мікросимбіонтів здатні за вегетаційний період нагромаджувати біологічного азоту від 80 до 380 кг/га. Як приклад, сорт Аннушка за інокуляції насіння специфічними бульбочковими бактеріями штам 634а в умовах Підмосков’я за активного симбіотичного потенціалу утвореного симбіозу 15,9 тис. кг·дн/га, максимальної маси активних бульбочок 200 кг/га та вмісту легемоглобіну в бульбочках 5,4 мг/г здатен нагромадити біологічного азоту 97 кг/га і сформувати врожай 2,6 т/га.
Оскільки моноінокулянти є чутливішими до дії абіотичних і біотичних чинників навколишнього середовища, стабілізація й оптимізація агрономічно корисних ефектів бактеріальних препаратів за інокуляції насіння сої досягається комплексною дією біологічних агентів — компонентів препаратів, якими можуть бути бактерії з різними екологічними функціями, біологічно активні речовини природного походження, хелатовані форми елементів живлення рослин тощо. Отже, реалізацію симбіотичного потенціалу бульбочкових бактерій можливо підвищити, створивши комплексні інокулянти на основі мікроорганізмів із різними агрономічно корисними властивостями: здатністю до фіксації азоту, трансформації важкорозчинних сполук фосфору, біоремедіації ґрунтів, синтезу речовин рістрегуляторної та фітопротекторної дії, а також біологічно активними речовинами. Застосування комплексних мікробіологічних препаратів, що забезпечують отримання стабільніших урожаїв, порівнюючи до моноінокулянту, зокрема, й за дії стрес-чинників різної природи є ефективним і перспективним біотехнологічним елементом у технології вирощування цієї культури.
Ідеальним уважається бактеріальний препарат, що містить максимальний титр активних життєздатних клітин із довготривалим терміном зберігання, зручний для транспортування, добре розчинний у воді, здатний адсорбуватися на насінні без додаткових сполук-адгезивів, поліфункціональний й економічно обґрунтований за вартістю. Бажано, щоб мікроорганізми, на основі яких створено препарат, вступали у взаємодію із широким спектром сортів рослин, підвищували їх продуктивність, синтезували сполуки рістрегуляторної та фітопротекторної дії.
Чисельні експериментальні дослідження, що проведені в профільних наукових установах України та за кордоном, свідчать про наявність різноманітних підходів, які дозволили створити комплексні мікробні препарати для інокуляції насіння сої. Прикладами таких препаратів, які представлені на ринку України є лінійка АВМ-інокулянтів, лінійка препаратів Оптимайз, Ризолик ТОП, Сигнум, БіоМінераліс, Нітрофікс П, МегаПак, Агрібактер, Біобактер, Экобакт Эковітал, Азориз, Графекс SА, Екскалібер SА, Ризостим, Ризогумін, БіоБуст Плюс Ліквід й ін.
Дослідження та розробки українських науковців
В Інституті фізіології рослин і генетики НАН України протягом останніх 20 років активно тривають роботи з вивчення можливості створення комплексних інокулянтів під сою. Як додаткові агенти у створенні композицій на основі бульбочкових бактерій сої ми застосовували:
- PGPR-бактерії родів Azotobacter і Enterobacter, які отримані методом аналітичної селекції з чорноземного ґрунту (Полтавська обл.) і ризосферної зони пшениці ярої й озимої (Київська обл.). Бактерії родів Azotobacter і Enterobacter характеризуються комплексом позитивних ефектів дії на систему «рослина — ґрунт — мікроорганізми»: здатність до фіксації молекулярного азоту, розщепленню важкорозчинних фосфатів, ксенобіотиків, синтез речовин із рістрегуляторною й фітопротекторною дією;
- екстракт синьо-зелених водоростей Spirogyra sp., які здатні до продукції біологічно активних метаболітів із рістактивним й антиоксидантним ефектом дії;
- біологічно активні метаболіти мікробної (екзополісахариди й екзометаболіти бульбочкових бактерій) і рослинної (лектини) природи, що характеризуються широким спектром фізіологічної дії, зокрема, й активують роботу нітрогеназного комплексу діазотрофних бактерій;
- сполуки вуглеводної природи, зокрема, глюкозовмісні моноцукри — глюкоза і N-ацетил-D-глюкозамін, які можуть бути синтезовані рослиною та виділятися з кореневими ексудатами в ризосферну зону й впливати на розвиток і фізіологічну активність мікросимбіонтів.
Рис. 1. Вирощування сої у вегетаційних умовах (ґрунтова культура)
Оцінювання ефективності комплексних композицій, яке ми здійснювали в умовах вегетаційних і польових експериментів (рис. 1, 2), показало:
- підвищення насіннєвої продуктивності сої сорту Мар’яна в польових умовах у середньому на 17%, у вегетаційних умовах на 13 і 14% для сортів Мар’яна й Аннушка відповідно, порівнюючи до моноінокуляції насіння ризобіями за інокуляції насіння бактеріальною бінарною композицією ризобії сої + азотобактер;
- за використання інокулянту на основі ризобій сої та бактерій роду Enterobacter на коренях сої утворювалися бульбочки, які за масою у 2,2–2,9 раза, а за функціональною активністю — від 1,5 до 3,5 раза переважали контрольні (моноінокуляція). Рослини утворювали бобів на 20% більше, що вказує на підвищений рівень реалізації їх продуктивного потенціалу;
- посилення нодуляційної (в 1,2–2,3 раза) й азотфіксувальної (в 1,3–6,5 раза) здатності бульбочкових бактерій сої та люпину в симбіозі з рослинами сої сортів Чорнобура, Мар’яна й люпину сорту Союз за внесення до інокуляційної суспензії бульбочкових бактерій специфічних до ризобіальної культури мікробних екзополісахаридів або екзометаболітів;
- активацію симбіотичних властивостей ризобій і підвищення продуктивності соєво-ризобіального симбіозу за використання екстракту синьо-зелених водоростей Spirogуra sp., який має рістрегуляторну у антиоксидантну активність. Нодуляційна здатність ризобій збільшилась в 1,2–2,9 раза, нітрогеназна активність симбіозу — в 1,6–4,1 раза. Рослини сої сорту Мар’яна активно рослин (в 1,1–1,3 раза), формували надземну масу (в 1,2–1,7 раза) і врожай насіння в польових умовах (до 11% і вище), порівнюючи до інокуляції насіння монокультурою ризобій;
- підвищення ступеня реалізації симбіотичного і продуктивного потенціалу бобово-ризобіальних симбіозів сої сортів Мар’яна і Аннушка та гороху сорту Восток за використання специфічних рослинних лектинів насіння як додаткові агенти. Нодуляційна активність бульбочкових бактерій підвищилася в 1,4–2,6 раза, азотфіксувальна активність симбіозів — в 1,5–3 та 1,2 раза відповідно, інтенсивність фотосинтетичної активності рослин — в 1,2–1,3 раза, вегетативний ріст рослин — в 1,1–1,4 раза, зернова продуктивність у польових умовах у середньому — до 10%, як порівняти до моноінокулянту, та до 17% — до небактеризованого контролю;
- активацію схожості насіння (в 1,1–1,2 раза), формування вегетативної маси (в 1,1–1,7 раза) і врожаю насіння (на 11–17%) рослинами сої сорту Аннушка через зростання основних елементів його структури: кількості плодовузлів на рослині (на 6–15%), кількості (на 22–27%) та маси (на 20–25%) насіння з рослини, маси 1000 насінин (на 5–8%), а також підсилення бульбочкоутворення на коренях (в 1,2–2,5 раза) й функціональної активності бульбочок (в 1,3–3,2 раза) за використання для бактеризації насіння сої полікомпонентних композицій на основі бульбочкових бактерій сої, ризобактерій роду Azotobacter і фітолектинів (лектину насіння сої, аглютиніну зародків пшениці), порівнюючи до моноінокулянту ризобій сої;
- за використання комплексного інокулянту на основі бульбочкових бактерій сої та глюкозовмісних моносахаридів (глюкози, N-ацетил-D-глюкозаміну) для інокуляції насіння сої ранньостиглих сортів Лісабон (закордонна селекція) й Алмаз (вітчизняна селекція) встановлено ймовірне підвищення ступеня реалізації нодуляційної здатності ризобій: кількість бульбочок, порівнюючи до дії моноінокулянту збільшилася в 1,6–2,2 та 1,4–2,3 раза, їхня маса — в 1,4–2,3 та 1,9–2,1 раза відповідно, азотфіксувальна активність симбіозів — в 1,7–2,1 раза. Комплексні інокулянти активували вихід насіння зі стану спокою та його проростання, формування першого справжнього листка, надземної маси (на 25–27%) та кореневої системи (на 10–16%) рослин сої. Урожай насіння сої вірогідно (на 14%) зростав до інокуляції ризобіями. За умов природної посухи (температурний режим позитивно відхилявся від норми на 1,5–2,0 °С за кількості опадів 11–65% норми майже протягом усіх фаз вегетації сої за винятком початкових — проростання, формування примордіального й першого справжнього листка) встановлено, що ацетильовані аміноцукри N-ацетил-D-глюкозамін і N-ацетил-D-галактозамін як додаткові компоненти в інокулянті бульбочкових бактерій сої позитивно впливали на схожість насіння (на 7–12%), вегетативний ріст (на 6–31%) і формування біомаси рослин (в 1,3–1,8 та 1,2-1,5 раза відповідно для надземної маси й кореня сої), а також активність утворення бобів (в 1,5–1,7 раза). Бульбочкоутворювальна здатність ризобій зростала в 1,2–1,3 раза за збільшення маси сформованих бульбочок в 1,4–1,5 раза, нітрогеназна активність симбіотичних систем (фактична і питома) — в 1,5 і 1,2 раза відповідно. Насіннєва продуктивність підвищилася завдяки вірогідного збільшення таких показників структури урожаю, як кількість бобів на рослині (на 13 і 15%) і маса насіння з рослини (на 20%), тоді як щодо інших показників його структури спостерігалася тільки тенденція до збільшення в межах 7–20%. Маса 1000 насінин зросла на 5%. Представлені результати вказують на перспективність застосування глюкози й ацетильованих аміноцукрів як екзогенних регуляторних агентів формування, функціонування й ефективності соєво-ризобіальних симбіозів і можуть бути використані на практиці для модифікації ризобіального інокулянту під сою цими сполуками вуглеводної природи.
Рис. 2. Вирощування сої в польових умовах
Економічна ефективність застосування нових комплексних композицій проявляється в зниженні собівартості виробництва, підвищенні його рентабельності й чистого доходу у вирощуванні сої. Новизна розробки підходів і елементів комплексних біологічних композицій підтверджена патентами України — № 55620 А (2003 рік), № 62819 А (2003 рік), № 62820 А (2003 рік), № 41723 (2009 рік), № 59561 (2011 рік).
Інноваційна розробка на основі підходу використання специфічних для сої та гороху лектинів насіння з метою активізації бактеріального агента ризобіального інокулянту завершена й представлена на ринку України бактеріальним добривом Ризостим (свідоцтво про державну реєстрацію № А 03583). Добриво призначене для інокуляції насіння зернобобових культур сої та гороху. Біологічною основою препарату є запатентовані високоефективні штами бульбочкових бактерій сої та гороху, які характеризуються підвищеною продукцією екзополісахаридів, є стійкими до абіотичних стрес-чинників. До складу добрива входить комплекс біополімерів, який містить і лектин насіння сої або гороху та забезпечує активне бульбочкоутворення, функціонування нітрогеназного комплексу бактерій і сприяє адаптогенній пластичності рослин. Також препарат містить унікальний компонент, що забезпечує адгезію бактерій до насіння та їх зберігання на насінні протягом двох місяців. Застосування препарату забезпечує фіксацію атмосферного азоту бульбочками від 90 до 240 кг/га і підвищує врожай насіння в польових умовах на 15–20%, порівнюючи до спонтанної інокуляції. Після збору врожаю в ґрунті та пожнивних рештках нагромаджується до 45 кг азоту на 1 га.
Таким чином, комплексні інокулянти, що створені на основі бульбочкових бактерій сої та додаткових біологічних агентів (ризобактерій, рослинних і мікробних метаболітів, водоростей, біологічно активних речовин протеїнової та вуглеводної природи) можуть бути перспективними біотехнологічними елементами в рослинництві, застосування яких спрямоване не лише на підвищення врожаю рослин, а також отримання екологічно чистої продукції та збереження й відтворення родючості ґрунтів. Такі мікробіологічні препарати комплексної дії забезпечують економічний ефект і сприяють покращенню фітосанітарного стану ґрунтів завдяки зниженню хімічного навантаження на екосистему.
Олена КИРИЧЕНКО, д-р біол. наук, старший науковий
співробітник відділу симбіотичної азотфіксації
Інституту фізіології рослин і генетики НАН України
Світлана ОМЕЛЬЧУК, молодший науковий
співробітник відділу симбіотичної азотфіксації
Інституту фізіології рослин і генетики НАН України
