Primary screening of growth-stimulating properties of rhizosphere microorganisms in relation to tomato seeds

Full Text

Томат (Lycopersicon esculentum) – один из самых популярных овощей, имеет пищевую и экономическую ценность во всем мире. Благодаря вкусовым качествам и высокой биологической ценности плодов (наличие витаминов, микроэлементов, каротиноидов, в том числе ликопина) их потребление в мире увеличивается. [1, 11] Производство томатов, особенно в закрытом грунте, зависит от использования агрохимикатов (удобрения, пестициды). Наблюдается тенденция к росту получения натуральной органической экологически чистой продукции с заменой химических препаратов на микробные, стимулирующие прорастание семян, повышающие устойчивость растений к заболеваниям и неблагоприятным факторам окружающей среды. Подобные препараты чаще всего производят на основе PGPR-бактерий – микроорганизмов, помогающих развитию растений. [6, 9] Механизмы действия PGPR: растворение питательных веществ для облегчения их усвоения растениями, регулирование гормонального баланса, повышение устойчивости растений к патогенам. Кроме того, PGPR проявляет синергетическое и антагонистическое взаимодействие с другими микроорганизмами внутри ризосферы и за ее пределами в основной массе почвы, что косвенно увеличивает рост растений. [7]

Цель работы – изучить способность ризосферных микроорганизмов стимулировать прорастание семян томатов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования – 20 бактериальных изолятов, выделенных из ризосферы культурных и дикорастущих растений аридных экосистем Астраханской области в 2019-2020 годах, обладающих способностью к триптофаниндуцируемому синтезу индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) и находящихся в коллекции кафедры «Прикладная биология и микробиология» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет». [4]

Использовали сорта семян томата: Волгоградский, Санька (раннеспелые), Космонавт Волков, Новичок (среднеспелые). По районированию они различались: Волгоградский и Новичок рекомендованы для Центрального Черноземья и Нижнего Поволжья, Санька и Космонавт Волков – Центрального Черноземья.

Изучали способность исследуемых ризосферных микроорганизмов стимулировать прорастание семян томата методом инкубирования во влажных камерах. Семена перед закладыванием замачивали на сутки в стерильной водопроводной воде, далее стерилизовали в течение 5 мин. в 70%-м растворе этилового спирта, промывали стерильной водопроводной водой и замачивали 30 мин. в водной суспензии микроорганизмов с титром 10⁶ КОЕ/мл. Контрольный вариант замачивали на 30 мин. в стерильной водопроводной воде. Проращивали семена (по 10 шт.) во влажных камерах в термостате при переменной температуре 20…30°C, повторность – четырехкратная. В эксперименте определяли параметры всхожести семян (лабораторная) и морфометрические показатели проростков (длина корня и стебля, их общая сырая биомасса). [2] Статистический анализ проводили с помощью пакета Statistica 6.1 (StatSoftInc., USA). Данные представляли в виде х ± SD. Для сравнения двух независимых выборок применяли t-критерий Стьюдента (при Р<0,05 различия считали достоверными, предварительно проверив данные на нормальность распределения).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Показатель лабораторной всхожести характеризует посевные качества семян и свидетельствует об их способности прорастать за определенный срок при оптимальных условиях. Обработка семян водными суспензиями исследуемых микроорганизмов выявила их разнонаправленное действие (рис. 1). Лабораторная всхожесть семян томатов в контроле колебалась от средней – 70 (Волгоградский, Космонавт Волков) до высокой – 93,3% (Санька, Новичок).

 

Рис. 1. Лабораторная всхожесть семян томата: а – Санька, б – Волгоградский, в – Космонавт Волков, г – Новичок (x ± SD, n=3, * – значения, достоверно отличающиеся от контроля при р < 0,05, черная линия – контрольный вариант).

 

Высокая всхожесть (90% и более) семян сорта Санька отмечена при обработке суспензиями 12 изолятов (рис. 1а), Волгоградский – 9 (рис. 1б), Космонавт Волков –2 (рис. 1в), Новичок –3 изолятов (рис. 1г). Стимулирующее действие суспензиями изолятов более выражено для сортов ранней спелости, чем средней. Если сравнивать с контрольным вариантом, то у Волгоградского всхожесть стимулируют суспензиями 18 изолятов (максимальный показатель), у Новичка – 3 (минимальный).

Суспензия изолята 9/19 снижает всхожесть семян сортов Волгоградский, Космонавт Волков и Новичок на 56,7…66,6%, у сорта Санька ингибирующее действие практически не выражено. Суспензии изолятов 16/19 и 31/20 обеспечивали высокую всхожесть у семян всех сортов – до 86,6…100% и 90…100% соответственно.

В эксперименте, помимо лабораторной всхожести, оценивали и морфометрические показатели проростков томатов (длина корня и стебля, общая биомасса проростков), которые пересчитывали в процентном соотношении к контрольному варианту (их принимали за 100%). Ингибирующим признавалось воздействие изолята, вызывающее снижение показателя ниже 100%, стимулирующим – выше 100%.

Выявлено, что обработка семян суспензиями исследуемых изолятов положительно повлияла на морфометрические показатели проростков сорта Санька. Только суспензии 2 изолятов (24/20, 29/20) ингибировали развитие корня (на 38%). Снижение биомассы на 12,6…78,2% ниже, чем в контрольном варианте, наблюдали при действии суспензий изолятов 24/20, 29/20, 11/19, 27/20, 10/19, 6/19. Суспензия изолята 2/19 оказала максимальное стимулирующее действие на развитие корня (374,3%) и биомассу (255,3%), 30/20 – увеличение длины стебля на 300,2% (рис. 2а).

 

Рис. 2. Морфометрические показатели проростков: а – Санька, б – Волгоградский, в – Космонавт Волков, г – Новичок.

 

Действие суспензий изолятов на морфометрические показатели проростков сорта Волгоградский в целом положительное. Суспензии изолятов 9/19, 36/22, 1/19 снижают длину корня и стебля проростков на 6,7…53,2% и 15…40% соответственно; 28/20, 14/19, 7/19, 10/19 – только стебля на 15,1…55,1%. Понижение значений биомассы по отношению к контрольным было при воздействии суспензий изолятов 9/19, 14/19, 29/20, 7/19, 2/19. В наибольшей степени стимулирует развитие корня на 383,8% – 10/19; стебля (216,9) – 6/19; биомассы (157,5%) – 31/20 (рис. 2б).

Суспензии изолятов 14/19, 9/19, 6/19, 11/19, 29/20 снижают длину корня на 8…34%, остальные провоцируют его развитие. Рост стебля ингибировали суспензии изолятов 9/19, 6/19, 1/19, 10/19, 30/20, 11/19, 2/19, 7/19, 3/19 на 12,4…76,0%. Понижение общей биомассы проростков на 13,4…64,0% вызывали изоляты 14/19, 29/20, 10/19, 26/20, 30/20, 11/19, 2/19, 27/20, 3/19, 4/19. При этом стимулировали развитие корня суспензии 15 изолятов, стебля – 10, биомассы – 5. Из них максимальное действие (увеличение длины корня на 500%, стебля – 90,2, биомассы – 349,2%) оказывала 16/19 (рис. 2в).

В наименьшей степени суспензии 11/19, 6/19, 30/20, 27/20, 14/19 ингибировали развитие корня сорта Новичок (на 12…68%), стебля – 27…78%, биомассы – 26,3…66,0%, 26/20, 9/19, 2/19, 7/19 угнетали развитие стебля до 35%; 1/19 – корня до 11%. Снижение биомассы проростков ниже, чем в контроле на 12…80%, наблюдали при воздействии суспензий изолятов 1/19, 10/19, 26/20, 9/19, 4/19, 7/19. Максимальное стимулирующие влияние на развитие корня (440,5%) и биомассы (93,4%) оказывала суспензия 3/19 – увеличило длину стебля на 87,6%.

Выявлен изолят 9/19, который ингибирует не только всхожесть семян, но и вызывает пониженное накопление биомассы проростков, угнетает развитие корней и стеблей проростков сортов Волгоградский, Космонавт Волков и Новичок.

Определены изоляты, положительно воздействующие на всхожесть и развитие проростков: 16/19 – максимальное накопление биомассы у Саньки, Волгоградского и Космонавта Волкова до 273…449%, 31/20 – развитие корня на 73,3…183,3, стебля – 46,8…100,5%.

Выявлено, что изолят 9/19 способен синтезировать до 16,0 мкг/мл ИУК, 31/20 – 25,0, 16/19 – 9,0 мкг/ мл. [6] ИУК – один из наиболее важных растительных гормонов, напрямую влияющих на рост, деление клеток и образование корней, а также помогает увеличивать площадь поглощающей поверхности корня, что позволяет интенсифицировать питание растений. [8]

Обнаруженный в ходе эксперимента ингибирующий эффект суспензии изолята 9/19, при достаточном синтезе ИУК, согласуется с литературными данными Л.С. Церковняк и Teale et al., указывающими на то, что экзогенный ауксин способен проявлять как положительный, так и отрицательный эффект. [3, 12] Оптимальный диапазон концентраций ИУК для конкретного растения может быть чрезвычайно узким и сдвиг в любую сторону может привести к угнетению. [3, 12]

Стимулирующее действие микробных суспензий изолятов 16/19 и 31/20 на растения может быть обусловлено не только синтезом ИУК, но и других биологически активных соединений, улучшающих фосфорное питание растений, усвоение ионов железа, повышающих иммунитет к фитопатогенам. [5, 10]

Выводы. Таким образом, выявлены изоляты (16/19 и 31/20) ризосферных бактерий, оказывающие стимулирующее действие на всхожесть семян томатов (6,7…30%), а также морфометрические параметры проростков – увеличение длины корня до 286%, стебля – 204, биомассы – 294%. Полученные данные свидетельствуют о необходимости дальнейших исследований по видовой идентификации изолятов, изучения физиолого-биохимических свойств, в том числе по наличию синтеза БАВ, на возможность применения в качестве стимуляторов роста сельскохозяйственных растений.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-26-00227 «Генетическая паспортизация ризосферных микроорганизмов аридных экосистем с биотехнологически значимыми свойствами» / The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-26-00227 “Genetic certification of rhizospheric microorganisms of arid ecosystems with biotechnologically significant properties”.

About the authors

A. R. Galperina

Astrakhan State Technical University

Author for correspondence.
Email: alina_r_s@rambler.ru

PhD in Biological Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Astrakhan

O. B. Soprunova

Astrakhan State Technical University

Email: alina_r_s@rambler.ru

Grand PhD in Biological Sciences, Professor

Russian Federation, Astrakhan

A. N. Parkhomenko

Astrakhan State Technical University

Email: alina_r_s@rambler.ru

PhD in Biological Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Astrakhan

References

Supplementary files