МІКРОДОБРИВО

Биологическая фиксация азота соей – обзор: как происходит и от чего зависит

В биологических системах растениям необходимо получать азот в определенном виде (например, в виде аммиака, нитратов или органических соединений). Он может поступать непосредственно из природных источников, при внесении минеральных удобрений или благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями. Хотя соя (Glycine max (L.) Merrill) может использовать для получения азота каждый из этих трех вариантов, в данной статье рассматривается ее способность фиксировать азот симбиотически.


Соя вступает в симбиоз с различными видами Rhizobium. Эти виды в большинстве случаев эволюционировали из основного (Китай) и вторичного (Индия) центров происхождения. В наше время проводится обстоятельная, традиционная и, с недавних пор, молекулярная таксономия этих видов с целью создания и дополнения общепринятой таксономии, опубликованной Виллемсом (2006). Виллемc классифицировал виды на быстрорастущие (Sinorhizobium fredii и Sinorhizobiumxinjiangense, ранее описанные как случайная нодуляция), медленно растущие (Bradyrhizobium japonicumBradyrhizobium elkanii и Bradyrhizobium liaoningense) и виды промежуточного роста (Mesorhizobium tianshanense). Основные стадии процесса формирования клубеньков на корневой системе сои (рис. 1) описаны в табл. 1.

Таблица 1.

Стадии процесса формирования клубенька

Процесс Основные стадии
заражение бактериями прикрепление к корневым волоскам, быстрое размножение бактерий, связывание лектина, сигнализирование о факторе образования клубеньков
формирование инфекционных нитей, проникновение бактерий и рост инфекционных нитей скручивание корневых волосков и внутриклеточное заражение, отбор клоново-специфичных бактерий, прорастание нити в кору корня
формирование клубенька примордиальная клетка узелка возникает в коре рядом с местом инфицирования под воздействием нодулинов. Потом она продуцирует транскрипционные факторы, давая начало процессу формирования клубеньков. Происходит модулирование ауксина, цитокинина и других растительных гормонов. Предшественники гормонов, возможно, продуцируются бактериями для стимуляции формирования клубеньков
регуляция уровня образования клубеньков у бобовых встречаются гены Nark (гены роста клубеньков), которые регулируют количество клубеньков с помощью промежуточного гормона. В корнях также могут встречаться этилен-чувствительные гены

Как только бактерии инфицируют растение, они внедряются в корневые клубеньки, принимая особую форму, известную как бактероид. Соя имеет определенную структуру клубеньков с несколькими бактероидами в одном перибактероидном мешочке. Содержание кислорода в клубеньках поддерживается на уровне 3–30 нМ, диффузия кислорода происходит через межклеточные воздушные промежутки и кислородсвязывающий гемопротеин (леггемоглобин). Растение обеспечивает бактерии органическими кислотами в качестве источника углерода, а бактероиды экспортируют фиксированный азот в форме аммиака. Затем клубеньки сои модифицируют аммиак, чтобы экспортировать уреиды через ксилему в надземные части растений.

Основные требования к эффективной инокуляции

Носитель Клубеньковая бактерия Процессы
высокие водоудерживающие способности эффективна в формировании клубеньков регуляторный контроль качество, обеспечивающий как генетическую цельность, так и численность
не токсичность эффективна в фиксации контроль сроков годности
стерилизуемый широкая адаптивность к генетике растений и окружающей среде контроль условий хранения
дешевый устойчива к нитратам в почве тестирование носителя на посторонние вещества и токсичность
способный к буферизации рН легко возделывается invitro послепроизводственная проверка
высокая емкость катионного обмена хорошо сохраняется в почве (распространяется и выживает без хозяина)  –
 – генетически стабильная  –
 – совместима с агрохимикатами  –

На относительную эффективность заражения клубеньков бактериями могут повлиять почвенные условия, а также генетические особенности бактерий и продолжительность прикрепления бактерий к корням сои. Однако если в почве нет жизнеспособных, способных к заражению клубеньковых бактерий, применение ннокулянтов может спровоцировать очевидное усиление фиксации азота там, где его содержание в почве достаточно низкое. Также проблемой может быть выживаемость клубеньковых бактерий сои в почве при неблагоприятных условиях.

Способы внесения бактерий

Известен традиционный способ внесения в почву азотфиксирующих бактерий, заключающийся в предпосевной обработке семян бактериальным препаратом на основе штаммов азотфиксирующих бактерий. Например, для обработки семян сои используют ризоторфин – смесь жидкой культуры бактерий с торфом, содержащий 2,5 млд. клубеньковых бактерий на 1 г препарата. Можно использовать также жидкую рабочую культуру бактерий стандартной концентрации, обычно с титром 3-5109 бак/мл.
В качестве недостатков этого способа можно отметить следующее. Во-первых, необходимо обработать большие массы семян в короткие сроки перед посевом. Предварительная обработка семян до посева невозможна из-за высокой или полной гибели азотфиксирующих бактерий. Например, известно, что клубеньковые бактерии, нанесенные на поверхность семян сои, быстро гибнут: уже через 5-6 часов после обработки количество их уменьшается вдвое. Поэтому, если семена не были высеяны в течение суток, их снова обрабатывают в день посева. Во-вторых, ручная обработка семян трудоемка и малопроизводительна. Существующие машины для протравливания семян не обеспечивают требуемого качества обработки, зачастую механизированная обработка приводит к повреждению семян. Между тем механизация внесения в почву азотфиксирующих бактерий диктуется увеличением посевов бобовых и злаковых культур и необходимостью обработки больших масс посевного материала, составляющего 10-15% от ежегодного урожая.

Но, есть способ который включает использование бактериального препарата в дозе, обеспечивающей гектарную норму бактерий в пределах 0,5-5,0*1012 бак/га. При этом раствор бактериального препарата внекорневым способом вносят на вегетирующие растения. Изобретение позволяет повысить эффективность обработки, а также снизить материальные и трудовые затраты на обработку.

Влияние внешних условий окружающей среды на фиксацию азота соей

Стрессовый фактор

Степень воздействия

Тип воздействия
соль 210 ммоль подавление формирования клубеньков и фиксации азота. Оказывает больше воздействия на формирование клубеньков, чем любой из симбионтов
нитрат более 20 кг N/га подавление формирования клубеньков и фиксации азота. Частично преодолевается генотипами растений
нитрат 200 кг N/га популяция клубеньковых бактерий в почве не пострадала. Значительно сокращен симбиоз
недостаток влаги менее 5,5 % в почве сокращение количества бактерий в клубеньках, плохая выживаемость инокулянтов в почве, ухудшение формирования клубеньков и эффективности азотфиксации. Частично преодолевается повышением уровня СО2
высокая температура более 35–40oС ухудшение формирования клубеньков и фиксации азота. Частично преодолевается генотипами растений, но без прямой связи между способностью растения к росту и способностью к фиксации азота. Возможна гибель клубеньковых бактерий в почве
кислотность рН 4,6 негативно сказывается на формировании корней. Фиксация азота более чувствительна, чем рост растений
кадмий, никель, медь, цинк, свинец более 10 мг/кг почвы ухудшение формирования клубеньков оказывает больше воздействия на структуру клубенька, чем на растение
более 1–5 мг/кг почвы ухудшенная фиксация азота
нитрит более 10 ммоль не оказывает влияния на фиксацию бактерий в клубеньках
гербицид рекомендованная норма сетоксидим, алахлор, флуазифоп-П-бутил и метолахлор не оказывают влияния на азотфиксацию, паракват снижает ее эффективность. В полевых условиях результаты часто отличаются
ночные заморозки менее 15°С снижение эффективности фиксации азота до 45 %
озон 1,5 нормы снижение эффективности фиксации, преодолевается повышением уровня СO2
СO2 менее 500 мг/кг оказывает влияние на снижение эффективности азотфиксации, но не такое сильное, как на общий рост растения
пролин бактерии не в состоянии метаболизировать пролин. Плохая фиксация азота в условиях засухи, которая повышает уровень пролина в растении
избыточное увлажнение 10 дней подавление фиксации на нескольких стадиях роста

 

Азотный обмен у сои

Урожайность семян сои составила в среднем 3.1 т/га, а максимальная величина была равной 8.3 т/га. Поглощение азота растениями составило в среднем 245 кг N/га, а максимальное значение было близким к 560 кг N/га. Для получения 1 т семян требовалось поступление в растения в среднем 81 кг азота. Однако, наблюдается четырехкратная разница между граничными значениями потребности в азоте для получения 1 т семян – от приблизительно 53 кг N/т до 204 кг N/т.

Фиксация N2 составляет в среднем 137 кг N/га, а максимальная величина была равной 372 кг N/га . Относительный вклад фиксации N2 в поглощение азота растениями составил в среднем 56 %, и половина данных располагалась в диапазоне 44-72 %.

В среднем в агроценозах сои относительный вклад БФА в поглощение азота растениями находится между 50-60 % с максимальными значениями при потреблении до 200 кг N/га. Выше уровня потребления в 370 кг N/га «недостающее» количество азота (разность между количеством поглощенного и фиксированного растениями азота) увеличивается сильнее, что при высоком потенциале урожайности требует поступления в растения дополнительного количества азота из других источников.

Большую часть азота соя извлекает либо из почвы, либо путем азотфиксации, но какая-то его часть также может быть получена из листьев. Внекорневой азот может повысить содержание азота в сое без ущерба для фиксации, а также повлиять на корневое поглощение, равно как и подвергнуться воздействию последнего. Спаркс (2009) создал модель листовой подкормки азотом, при которой NО и NО2превращаются в апопласте в ионы нитрита или нитрата. С помощью нитратредуктазы нитрат преобразуется в цитоплазме в нитрит, а нитрит преобразуется в хлоропластах сначала в NH4+, а затем в глутамин. Атмосферный NH3 преобразуется в NH4+, который под воздействием глютамин-синтазы преобразуется в глутамин либо в цитоплазме, либо в хлоропластах. Существует доказательство того, что позднее применение внекорневого азота может восполнить потери в фиксации азота и увеличить урожайность, поскольку основная часть запасов углеводов перераспределяется на семена, а процесс фиксации не дает достаточного количества азота. В качестве альтернативы для достижения того же эффекта была смоделирована ремобилизация азота в стебле. Суть в том, что использование медленнодействующих азотных удобрений может стимулировать рост сои без ущерба для фиксации азота и тем самым повысить одновременно и урожайность, и интенсивность фиксации азота.

Что касается поглощения корнями азота, полученного путем азотфиксаиии, или азота нитратов, то  растения, которые находятся в полной зависимости от фиксации азота, могут использовать для развития симбиоза значительную часть ранее доступного азота, но при этом в связи с нехваткой азота замедляется рост надземной части, что приводит к снижению урожайности. Наиболее яркое проявление этого процесса можно наблюдать у сои с повышенной способностью к образованию клубеньков, которая использует существенно большее количество семядольных запасов азота на формирование корневой системы, чем обычная.

Таким образом, с коммерческой точки зрения общей рекомендацией для зернобобовых культур, в том числе сои, является применение предпосевной дозы азота, благодаря которой они получают возможность поддержать эффективное образование клубеньков и при этом не страдать от дефицита азота.

Факты свидетельствуют о том, что при повышенных уровнях СO2, соя фиксирует больше азота. Этот эффект усиливается в условиях засухи, когда увеличивается распад уреидов в листьях и, следовательно, снижается подавление фиксации азота. Также было доказано, что высокий уровень СO2 значительно усиливает интенсивность фотосинтеза сои, особенно в условиях сильной засухи.

В агропромхолдингу «Астарта-Київ» майже відмовились від використання азотних добрив та не застосовують мікродобрива. Використовуються тільки стартові добрива «Super Start» в нормі 30 кг/га, що вносяться разом із насінням. На думку Вадима Скрипника, внесені у рядок добрива забезпечують швидкий розвиток кореневої системи, яка в період перших двох-трьох тижнів вегетації стає досить потужною, аби максимально використати наявну в ґрунті вологу. Із розвитком кореневої системи утворюються бульбочкові бактерії, які беруть на себе функцію забезпечення рослин азотом. «При вузькорядному посіві в нас немає пристосувань для прикореневого внесення добрив, тому ми вносимо з осені 150-170 літрів КАСу, а перед посівом сої не вносимо нічого. Раніше ми вносили 100 кг карбаміду із заробкою у ґрунт. Листкового підживлення ми також не проводимо», – стверджує експерт.

Але для того, аби азотне живлення забезпечувалось у достатній кількості, необхідно проводити обробку насіння сої інокулянтами, наприклад, сухим препаратом ХіСтік Соя чи рідким інокулянтом ХайКот Супер + ХайКот Супер Extender. «Сухі препарати додаються одразу до бункера сівалки, але існує декілька застережень щодо користування ними. Потрібно особливо уважно слідкувати, аби на препарат не потрапляло сонячне проміння, інакше частина бактерій може загинути. Треба ретельно стежити і за умовами зберігання інокулянтів, оскільки з часом вони втрачають свою життєздатність», – стверджує Василь Драбанюк.

 

Источники:

data-matched-content-ui-type="image_sidebyside" data-matched-content-rows-num="2" data-matched-content-columns-num="1" data-ad-format="autorelaxed">

Метки: