Создание устойчивого потенциала отечественного земледелия требует рационального использования биоклиматического потенциала территории и имеющихся материально — технических ресурсов.
Пшеница — одна из основных продовольственных культур. Из общего мирового производства зерна на долю пшеничного приходится около 27%. Зерно питательно, калорийно, содержит много белка (от 10—12 до 20—25% у селекционных сортов, до 25—30% у дикорастущих видов), углеводов (60—64%), а также жир (2%), витамины, ферменты, минеральные вещества и др. Его легко хранить, транспортировать, перерабатывать в муку, крупу и др. продукты. Зерно, отруби и др. отходы помола — ценный концентрированный корм, сырьё для комбикормовой промышленности. Солому используют в качестве грубого корма и на подстилку, а также для производства бумаги, картона, упаковочного материала, плетения корзин, шляп и т.п. Зелёную массу пшеницы скармливают скоту. В мировом земледелии п шеница занимает наибольшую площадь среди других зерновых культур [3].
Задача селекции пшеницы в Западной Сибири – выведение сортов со стабильной урожайностью, высоким качеством зерна, устойчивых к абиотическим и биотическим факторам среды.
Внедрение в практику сельского хозяйства высокоурожайных и особенно высокобелковых сортов растений требует создания в прикорневой зоне достаточно высоких концентраций легкодоступных соединений азота. В настоящее время наметились два основных способа усиления азотфиксации в агроэкосистемах: активизация деятельности спонтанной популяции азотфиксирующих микроорганизмов корневой системы и инокуляция семян эффективными штаммами диазотрофов [11]. Первый путь заключается в оптимизации факторов среды, благоприятно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, и подборе видов, линий, сортов растений, наиболее способных к активизации азотфиксации. Второй путь предусматривает поиск, отбор и использование высокоактивных азотфиксирующих микроорганизмов.
Круговорот азота в природе - важнейшее звено в биогеохимических циклах нашей планеты. Земная атмосфера, на 78 % состоящая из азота, служит, по сути дела, основным резервуаром этого важнейшего элемента всего живого. Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, многих простых и сложных молекул, составляющих структуры организмов любого уровня от человека до микроорганизма.
Растениям азот необходим в виде солей азотной кислоты или ионов аммония. Представители растительного мира не могут черпать азот непосредственно из атмосферы воздуха. Такой способностью обладает ограниченное количество видов микроорганизмов и синезеленых водорослей, которые называют азотфиксаторами, а процесс связывания азота атмосферы этими организмами - биологической азотфиксацией. Азотфиксаторы, как правило, сожительствуют с теми или иными растениями, обеспечивая их азотом, и пользуются для своей жизни многими веществами, образующимися в растениях. Термином "биологическая фиксация азота" подчеркивается, что мы имеем дело с уникальным биологическим явлением [5].
Биологическая фиксация азота атмосферы является проблемой, значение которой все возрастает и выходит далеко за рамки биологии и сельского хозяйства. Решение проблемы за счет широкого использования минеральных удобрений связано с глобальными нарушениями процессов круговорота основных биогенных элементов искусственных агроценозов. Рост производства минеральных удобрений увеличивает опасность загрязнения окружающей среды промежуточными продуктами трансформации минерального азота. Кроме того, энергозатраты на применение минеральных удобрений повышаются значительно быстрее по сравнению с ростом урожайности, поэтому внесение их в почву не всегда экономически выгодно. Этим и объясняется значительный рост интереса в мире к биологическим источникам азота.
Одним из возможных путей снижения расходования азотных удобрений, а также повышения коэффициента их использования является применение микробиологических препаратов, способствующих сохранению природных экологических систем и реализации потенциальной продуктивности растений за счет адаптивных свойств [7]. Проблема поиска эффективных азотфиксаторов при всей ее сложности чрезвычайно актуальна. Прикорневая зона растений является наиболее благоприятной средой для размножения диазотрофов.
Биологическая фиксация азота - одна из кардинальных проблем современного земледелия и растениеводства, так как резкое сокращение применения минеральных и органических удобрений приводит к снижению продуктивности и ухудшению качества растениеводческой продукции, падению плодородия почвы. В связи с поиском путей увеличения производства растениеводческой продукции при одновременном снижении доз минеральных удобрений и улучшении экологической обстановки, возрос интерес к препаратам, созданным на основе высокоэффективных штаммов ассоциативных микроорганизмов, применяемых для инокуляции семян злаковых культур. Положительное влияние инокуляции на растение обусловлено не только улучшением азотного питания растений, при внедрение в из ризосферу диазотрофов, но и воздействием микроорганизмов через физиологически активные вещества и микробиологический эффект [5].
После открытия способности азотфиксирующих микроорганизмов вступать в ассоциации с небобовыми растениями, во всем мире были начаты и стремительно развиваются исследования ассоциативной (несимбиотической) азотфиксации[7]. Это процесс фиксации атмосферного азота микроорганизмами при тесном контакте с корнями небобовых растений [4].
Результаты недавних исследований показали, что инокуляция микробными препаратами может улучшать урожаи сельскохозяйственных культур, не вызывая значительных изменений естественной ризосферной микрофлоры [7]. Были получены положительные результаты инокуляции различными видами микроорганизмов таких культур, как рис, сахарный тростник, картофель, пшеница, кукуруза [2].
При инокуляции колосовых культур ассоциативнымидиазотрофамиувеличение продуктивности обычно составляет 10-30 % [7]. У сортов, отзывчивых на обработку биопрепаратами, прибавка может достигать 40% [16].
Ассоциативнаяазотфиксация позволяет значительно увеличить долю «биологического» азота в урожае [4].
Увеличение использования фиксированного диазотрофными бактериями
биологического азота имеет особое значение для устранения дефицита азота в питании растений. Данный фактор способствует эффективному использованию земельных ресурсов, получению экологически и экономически обусловленного количества и качества растениеводческой продукции, а также устойчивости агроландшафта и сохранению почвенного плодородия [4].
В результате исследований установлено, что при использовании биопрепаратов необходимо учитывать генотипические особенности растений.
В последнее время показано, что возможно увеличение азотфиксации путем селекции не только у бобовых, но и небобовых полевых культур [14].
Конкурентоспособными эту группу культур могут сделать наличие стабильно продуктивных, устойчивых к болезням, вредителям и неблагоприятным факторам среды сортов; улучшение качества; эффективное использование их средообразующего, в первую очередь симбиотического потенциала и широкая популяризация.
Целью селекции является усиление симбиотических связей растений с полезными почвенными организмами для мобилизации трудноступных элементов питания, устойчивости к патогенам, адаптации к экологическим стрессам. В случае небобовых культур речь, прежде всего, идет об усилении азотфиксирующей способности. Высокая степень наследуемости симбиотических признаков и прямая связь между азотфиксирующей активностью и урожайностью растений свидетельствует в пользу результативности оценки эффективности взаимодействия с микрооргнизмами.
В нашей стране ежегодно за счет азотфиксации на полях небобовых культур в почву поступает 4 млн т. азота, т.е. больше, чем на всех площадях, занятых бобовыми культурами (3,5 млн т.) [10]. Для сравнения промышленность производит 9 млн т. азота в год. Принято считать, что 1 кг азота внесенный в почву, в среднем дает прибавку урожая, эквивалентную 10 кг зерна. Следовательно, валовая прибавка урожая от азотфиксирующих микроорганизмов на полях, занятых небобовыми культурами, соответсвует 40 млн т. зерна в год, но в расчете на единицу площади эта азотфиксация слишком мала (5-20, иногда до 50 кг/га в год) для получения высоких урожаев небобовых. Возникает вопрос о возможности ее усиления.
Регулирование процесса азотфиксации зависит от особенностей взаимодействия растения и диазотрофа в конкретных почвенно-климатических условиях. При оптимальном сочетании биотических и абиотических факторов количество ассоциативно фиксированного азота может достигать до 12-50 кг/га, а в неблагоприятных - снижаться практически до нуля. Поэтому поиск путей повышения эффективности азотфиксации при возделывании важнейшей продовольственной культуры - пшеницы будет способствовать, как повышению ее урожайности, так и снижению количества необходимого промышленного азота.
Интенсивное изучение ассоциативной азотфиксации начиналось с работ доктора Джоан Доберейнер (J.Dobereiner), в 70-80-х годах нашего столетия, в Бразилии активизировались поиски азотфиксирующих микроорганизмов, обитающих на поверхности корневой системы диких и культурных злаков. Такие микроорганизмы, живущие в ассоциации с растением, называются ассоциативными азотфиксаторами. Число их видов велико, но благодаря работам доктора Дж. Доберейнер и ее последователей в центре событий оказались микроорганизмы рода Azospirillum. Азоспириллы легко инфицируют корневую систему злаков и других растений. Подобно Rhizobium, они делятся на виды, колонизирующие преимущественно те или иные сорта злаков, фиксируют азот воздуха, могут продуцировать гормоны роста растений и обладают еще другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений. В ассоциативные взаимоотношения вступают представители многих родов почвенных азотфиксирующих микроорганизмов не только Azospirillum, с которых и началось интенсивное изучение азотфиксации, но и давно всем известныйAzotobacter, а также Arthrobacter, Beijevinskia, Bacillus, Mycolacterium и др.
В системе «почва – микроорганизмы – растения» основой физиолого-биохимического воздействия являются консортивные взаимодействия, а центральным фактором ризосферного эффекта служит метаболическая активность корня. За счет этой активности обитающие в прикорневой зоне микроорганизмы получают доступные источники питания (моносахара, органические кислоты, аминокислоты, белки, вещества фенольной природы, антибиотики, липиды и ряд других) [6]. Этот энергетический субстрат легкодоступен для почвенных организмов и может поддерживать ассоциативнуюазотфиксацию на высоком уровне.
Взаимоотношения растительного организма и бактериальной клетки обуславливаются усилением азотфиксации в основные периоды роста в онтогенезе растений, а также возрастающей поглотительной способностью растущей корневой системы. Эти процессы приводят к быстрому оттоку азотсодержащих метаболитов бактериальных клеток, что, в свою очередь, активизирует деятельность нитрогеназы [4, 12, 13].
При изучении ассоциативной азотфиксации у небобовых растений были широко использованы идеи, методы, разработанные ранее при иследовании симбиоза у бобовых. Так в последние 2 — 3 десятилетия было установлено, что разные сорта по-разному отзываются на инокуляцию, а выявленные различия наследуются [13].
Реальная возможность максимально усиливать азотфиксацию на полях под небобовыми культурами, не используя азотных удобрений, существует. Об этом свидетельствует огромный мировой опыт. Но даже при наличии самых высокоэффективных штаммов азотфиксирующих микроорганизмов необходимым условием считается создание сортов небобовых полевых культур с повышенной отзывчивостью к ассоциативной азотфиксации. Эти работы могут открыть новое направление в селекции, которое откроет перспективы получения повышенного, экологически чистого, меннее энергоемкого урожая зерновых лучшего качества.
Цель исследования
Изучить отзывчивость сортообразцов яровой мягкой пшеницы разных групп спелости на инокуляцию ассоциативнымидиазотрофами для повышения ее ассоциативной азотфиксации, продуктивности, качества зерна и адаптивности к агроэкологическим условиям южной лесостепи Западной Сибири.
Задачи исследования
1. Выявить влияние ризоагрина на лабораторную и полевую всхожесть, выживаемость сортообразцов яровой мягкой пшеницы.
2. Изучить влияние препарата на продолжительность вегетационного и межфазных периодов.
3. Выявить влияние ризоагрина на интегральные показатели фотосинтеза растений.
4. Изучить структуру и массу корневой системы
5. Определить активность и продуктивность азотфиксации.
6. Выявить влияние препарата на урожайность, элементы ее структуры, качество зерна яровой мягкой пшеницы.
7. Дать оценку сортообразцам на устойчивость к засухе и полеганию.
8. Изучить влияние препарата на устойчивость сортообразцов яровой мягкой пшеницы к болезням (мучнистая роса, бурая ржавчина, пыльная и твердая головня).
9. Выявить отзывчивые на инокуляцию сортообразцы, характеризующиеся высоким качеством зерна, устойчивые к абиотическим и биотическим стрессорам региона.
10. Провести количественный учет микроорганизмов ризосферы пшеницы на твердых питательных средах.
11. Обосновать экономическую эффективность использования биопрепарата.
Научная новизна
Впервые в условиях южной лесостепи Западной Сибири будет изучена отзывчивость новых сортообразцов яровой мягкой пшеницы различных групп спелости на инокуляцию ассоциативнымидиазотрофами, выявлены наиболее отзывчивые на инокуляцию с высокими продуктивностью, качеством зерна, ассоциативной азотфиксацией, адаптивные к условиям региона. Будет изучено влияние биопрепарата на интегральные показатели фотосинтеза, структуру и массу корневой системы растений пшеницы.
