Влияние штамма Pseudomonas sp. GEOT18, изолированного из подземных органов Dactylorchiza incarnata (L.) Soó (Orchidaceae Juss.), на ростовые процессы культурных растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вологодский научный центр Российской академии наук,

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

ВЛИЯНИЕ ШТАММА PSEUDOMONAS SP. GEOT18, ИЗОЛИРОВАННОГО ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ОРГАНОВ DACTYLORCHIZA INCARNATA (L.) SOУ (ORCHIDACEAE JUSS.), НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ

Рассохина И.И., Платонов А.В., Маракаев О.А.

г. Ярославль

Аннотация

штамм салат злаковый сельскохозяйственный

В работе представлены результаты лабораторного исследования влияния штамма Pseudomonas sp. GEOT18, изолированного из подземных органов Dactylorchiza incarnata (L.) Soу (Orchidaceae Juss.), на тест-объекты - кресс-салат и злаковые сельскохозяйственные виды. Оценивалась энергия прорастания и всхожесть семян, а также морфометрические показатели растений, их среднесуточные приросты и содержание хлорофилла. Инокуляция штаммом семян снижала их зараженность патогенными микроорганизмами, а также повышала всхожесть семян кресс-салата на 24,5 % и длину побегов на 13,4-21,5 %. Кроме того, штамм Pseudomonas sp. GEOT18 оказал стимулирующий эффект на ростовые процессы овса и ячменя на начальных стадиях онтогенеза.

Ключевые слова: Pseudomonas, энергия прорастания, всхожесть, морфометрические параметры, хлорофилл, рост.

Annotation

INFLUENCE OF PSEUDOMONAS SP. GEOT188 STRAIN, ISOLATED FROM UNDERGROUND BODIES OF DACTYLORCHIZA INCARNATA (L.) SOУ (ORCHIDACEAE JUSS.) ON GROWTH PROCESSES OF CULTURAL PLANTS

Rassokhina I.I., Platonov A.V., Marakaev O.A.

Vologda Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Vologda, Russia; Demidov Yaroslavl State University, Yaroslavl, Russia

The paper presents the results of the laboratory study of the influence of the strain Pseudomonas sp. GEOT18, isolated from the underground organs of Dactylorchiza incarnata (L.) Soу (Orchidaceae Juss.) on test objects - cockweed and cereal agricultural species. The authors evaluated the energy of germination and germination of seeds, as well as the morphometric parameters of plants, their average daily growth, and the content of chlorophyll. The inoculation of seeds with the strain reduced their infection with pathogenic microorganisms and increased the germination of cockweed seeds by 24.5% and the length of burgeons by 13.4-21.5%. In addition, the Pseudomonas sp. GEOT18 strain had a stimulating effect on the growth processes of oats and barley in the initial stages of ontogenesis.

Keywords: Pseudomonas, germination energy, germination, morphometric parameters, chlorophyll, growth.

Введение

В настоящее время известно о положительном эффекте применения различных микробиологических препаратов в растениеводстве [5]; [8]. Одной из причин влияния микроорганизмов считается синтез фитогормонов, которые контролируют рост и развитие растений, способствуют цветению и адаптации к неблагоприятным условиям, повышают мобилизацию различных элементов питания и формируют антагонизм к патогенам [1]; [4]; [16].

Перспективным родом бактерий для использования в сельскохозяйственной практике является Pseudomonas. Исследования N. Oteino и др. (2015) показывают, что эндофитные штаммы P. fluorescens L111, L228 и L321 обладают высокой способностью к мобилизации фосфатов [15]. C.S. Trinh и др. (2018) отмечают способность P. nitroreducens IHB B 13561 оптимизировать поглощение нитратов и стимулировать развитие клеток [17]. Возможность P. putida и P. fluorescens влиять на корневую систему, активизируя образование боковых корней и корневых волосков, показана в исследованиях R. Ortiz-Castro и др. (2020). При этом авторы обращают внимание, что данный эффект коррелирует с индукцией ауксина [14]. В исследованиях О.М. Минаевой и Е.Е. Акимовой (2013) выявлено снижение общей зараженности зерновых культур возбудителями на 12-36 % при обработке семян штаммом Pseudomonas sp. B-6798, а также повышение продуктивности картофеля на 10-40 % при бактеризации его клубней [13].

Цель нашего исследования - оценить действие суспензии штамма Pseudomonas sp. GEOT18, изолированного из подземных органов Dactylorchiza incarnata (L.) Soу (Orchidaceae Juss.), на посевные характеристики семян, ростовые процессы и содержание хлорофилла в листьях культурных растений при постановке водных культур.

Методика и методы исследования

Объектами исследования были кресс-салат (Lepidium sativum L.) сорта Весенний и Дукат, овес посевной (Avena sativa L.) сорт Лев, ячмень обыкновенный (Hordeum vulgare L.) сорт Нур. Бактерии рода Pseudomonas - Pseudomonas sp. GEOT18, суспензия которых использована в эксперименте, были выделены из внутренних тканей стеблекорневых тубероидов генеративных особей D. incarnata, произрастающих в осоково-разнотравном сообществе на дерново-подзолистой суглинистой почве (содержание гумуса в корнеобитаемом слое 5,7 %, сумма поглощенных оснований - 14 мг/экв, pH - 6,3). Штамм был идентифицирован с помощью молекулярно-генетического анализа нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК. Полученная последовательность гена 16S рРНК депонирована в базу данных GenBank под номером MT180656. Концентрация ИУК в культуральной жидкости исследуемого штамма на 3-и сутки роста составляла 8,5 мг/л. Суспензию штамма Pseudomonas sp. GEOT18 получали на среде LB в условиях постоянного перемешивания при температуре 22-24 °С в течение 16-18 ч (ночная культура). Перед проращиванием семена исследуемых культур делили на две части: одну помещали в суспензию бактериального штамма на 30 минут (опыт), другую - в воду (контроль).

Для проращивания использовали необработанные стерилизующими агентами семена. Их в трехкратной повторности помещали в чашки Петри на влажную фильтровальную бумагу (для кресс-салата - по 60 семян, для злаковых культур - по 30 семян) и оставляли в темноте при температуре 25 °С. Энергию прорастания оценивали на 3-и сутки, всхожесть семян, длину побега и корней - на 7-е сутки. Степень грибного поражения посевов определяли в процентах от площади чашки Петри на 7-е сутки.

Для постановки водных культур использовали среду Кноппа. В каждый вегетационный сосуд помещали по 10 проростков с корнями 1-2 см, полученных на 2-е сутки проращивания. Каждый вариант опыта проводили в пятикратной повторности. Культивирование растений осуществляли в климатостате КС-200 (Россия) при температуре 23 °С днем и 17 °С ночью, освещении 16 ч в сутки. У растений на 11-е и 25-е сутки с момента обработки семян суспензией исследуемого штамма определяли следующие параметры - количество листьев и корней, длину стебля, площадь листьев, сырую и сухую массу надземных органов, рассчитывали приросты сырой массы.

Определение хлорофиллов проводили на спектрофотометре ПЭ-5400УФ (Россия) при длинах волн 665 нм и 649 нм. Пигменты извлекали 96 %-м этиловым спиртом. Средняя биологическая проба включала вторые листья от трех растений. Работу выполняли в трехкратной аналитической повторности. Расчет содержания хлорофиллов проводили по уравнениям Винтерманс и Де Мотс [18].

Статистическую обработку данных осуществляли по стандартным методикам с использованием пакета анализа данных программы MS Excel'2010. В таблицах представлены средние значения показателей и величины их стандартных отклонений. Оценку достоверности различия выборочных средних проводили при значении доверительной вероятности 0,95.

Основные результаты и их обсуждение

Результаты исследований влияния штамма Pseudomonas sp. GEOT18 на посевные характеристики семян и морфометрические параметры кресс-салата представлены в таблице 1. В опытном варианте всхожесть семян кресс-салата сорта Весенний оказалась выше контроля на 24,5 %, а у семян сорта Дукат практически не отличалась от контроля. Выявлено также превышение длины корня и побега у сорта Весенний на 40,0 % и 21,5 %, а у сорта Дукат на 21,1 % и 13,4 % соответственно. При этом достоверная разница по отношению к контролю отмечена только для сорта Дукат. Стимулирующий эффект в этом случае, возможно, объясняется синтезом бактериями рода Pseudomonas фитогормонов группы ауксинов [6]; [10]; [14]. В опыте со злаковыми культурами отмечена аналогичная картина.

Таблица 1

Посевные характеристики семян и морфометрические параметры кресс-салата

Примечание: * - разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05

Следует отметить, что обработка семян кресс-салата и злаковых культур суспензией штамма Pseudomonas sp. GEOT18 обеспечивала чистоту посевов, не допуская их от грибного поражения. Это, вероятно, связно с антагонистическим действием бактерий, о чем сообщается в ряде исследований [4]; [12]; [13]. При этом в контрольном варианте грибные поражения посевов достигали 90 %.

В водной культуре показано положительное влияние бактерий Pseudomonas sp. GEOT18 на некоторые параметры роста злаковых видов растений, о чем свидетельствуют результаты таблицы 2. На 11-е сутки после обработки семян опытного варианта суспензией исследуемого штамма площадь поверхности первого листа превосходила значения в контроле для овса на 7,8 %, ячменя на 13,6 %, а общая площадь листовой поверхности растений овса была выше на 8,1 %, у ячменя на 8,4 %. На 25-е сутки площадь поверхности второго листа у опытных растений овса была больше контроля на 11,6 %, у ячменя на 13,7 %. Суммарная площадь листовой поверхности овса находилась на уровне значения контрольного варианта, у ячменя превосходила его на 12,2 %. Длина стебля опытных растений была больше, чем контрольных. Количество листьев в контрольном и опытном вариантах существенно не различалось, что объясняется стабильностью данного показателя на начальных этапах онтогенеза исследуемых культур. Это в полной мере касается и количества корней.

Полученные данные свидетельствуют, что штамм Pseudomonas sp. GEOT18 способствовал достоверному увеличению значений ряда морфометрических показателей овса и ячменя. При этом наиболее выраженные различия между опытным и контрольным вариантами наблюдались у ячменя - увеличение суммарной площади листьев на 12,2 %.

Таблица 2

Морфометрические и весовые показатели злаковых культур

Примечание: * - разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05

Сырая и сухая массы надземных органов овса в опытном варианте незначительно превышали значения в контроле (таблица 2). Так, сырая масса была выше на 3,9 %, сухая - на 10,3 %. В опыте с ячменем можно отметить увеличение показателя сырой массы опытных растений на 10,0 % относительно контроля. При этом значения среднесуточных приростов сырой массы растений, семена которых были обработаны суспензией бактериального штамма, превышали данный показатель контроля.

Наибольшее развитие листовой поверхности у растений в опытном варианте указывает на их возможные преимущества в поглощении световой энергии по отношению к контрольным экземплярам. Это, в свою очередь, может способствовать повышению фотосинтетической продуктивности. Подтверждением такого предположения являются повышенные показатели приростов массы у исследованных культур в опытном варианте относительно контрольного.

Важнейшая роль в поглощении света и определении эффективности его использования принадлежит основным фотосинтетическим пигментам - хлорофиллам. Их содержание может отражать реакцию растения на условия произрастания и находиться в положительной корреляционной связи с фотосинтетическими процессами [11]. Результаты определения содержания хлорофиллов (a + b) в листьях злаковых культур свидетельствуют о незначительном повышении их уровня у растений в опытном варианте, что происходит за счет увеличения количества хлорофилла b (таблица 3). Эти изменения достоверны в листьях ячменя. У этой культуры они сопровождаются более существенным возрастанием значений морфометрических показателей и приростов массы. Отмечается, что растения с повышенным уровнем хлорофилла поглощают больше световой энергии. Это, в свою очередь, сказывается на эффективности фотосинтеза [9]; [11].

Таблица 3

Содержание хлорофилла в листьях злаковых культур

Примечание: * - разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05

Можно заключить, что обработка семян злаковых культур суспензией штамма Pseudomonas sp. GEOT18 оказывает влияние на начальные стадии их роста и развития. У растений опытного варианта происходит увеличение площади листьев и содержания в них хлорофилла, что может повышать фотосинтетическую продуктивность. Связь ростовых процессов с фотосинтетическими показателями в настоящее время не подвергается сомнению [2]; [3].

Вывод

Таким образом, полученные в исследованиях с кресс-салатом данные свидетельствуют о положительном влиянии штамма Pseudomonas sp. GEOT18, изолированного из подземных органов D. incarnata, на всхожесть семян сорта Весенний, рост побегов и корней, достоверно подтвержденное для сорта Дукат, а также об антифунгицидном действии на посевы. Обработка семян злаковых культур суспензией исследуемого бактериального штамма способствовала формированию у растений большей площади листовой поверхности и возрастанию среднесуточных приростов сырой массы. Эта картина наиболее выражено проявлялась у ячменя. Увеличение содержания хлорофилла в листьях ячменя опытного варианта могло способствовать повышению продуктивности фотосинтеза, что активизировало у этой культуры ростовые процессы.

Список литературы

1. Асатурова А. М. Физиологические признаки перспективных штаммов бактерий родов Bacillus и Pseudomonas - продуцентов микробиопрепаратов / А. М. Асатурова // Масличные культуры. 2009. № 2 (141). С. 60-66.

2. Дерендовская А. Хлорофильные показатели и их связь с продуктивностью растений озимого ячменя / А. Дерендовская С. Жосан // Єtiinюa Agricolг. 2008. № 1(0). С. 3-7.

3. Мокроносов А. Т. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты / А. Т. Мокроносов, В. Ф. Гавриленко, Т. В. Жигалова. М.: Академия, 2006. 448 с.

4. Попова А. А. Антагонистическая активность некоторых штаммов рода Pseudomonas в отношении фитопатогенных грибов / А. А. Попова, Ю. В. Зайцева, А. В. Сидоров, О. А. Маракаев // Экспериментальная биология растений: фундаментальные и прикладные аспекты: годичное собрание ОФР, научная конференция и школа для молодых ученых: сборник материалов докладов. 2017. С.

5. Сидоренко О. Д. Перспективы использования биологических препаратов на основе микроорганизмов / О. Д. Сидоренко // Известия ТСХА. 2012. Вып. 6. С. 70-79.

6. Сидоров А. В., Биотехнологический потенциал эндофитных бактерийDactylorhiza incarnata L. Soo (Orchidaceae) / А. В. Сидоров, Ю. В. Зайцева, О. А. Маракаев // Интеграция науки и высшего образования, как основа инновационного развития аграрного производства. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (18-20 июня 2019 года, Ярославль). Ярославль, 2019. С. 131.

7. Avdeenko A. Bacillus subtilis based products as an alternative to agrochemicals / A. Avdeenko, S. Avdeenko, Domatskiy, A. Platonov // Research on Crops. 2020. № 21(1). P. 156-159. http://dx.doi.org/10.31830/2348-7542.2020.026

8. Chebotar' V. K. Microbial preparations on the basis of endophytic and rhizobacteria to increase the productivity in vegetable crops and spring barley (Hordeum vulgare), and the mineral fertilizer use efficiency / V. K. Chebotar', A. N. Zaplatkin, A. V. Shcherbakov, N. V. Mal'fanova, A. A. Startseva, Ya. V. Kostin // Agricultural Biology. 2016. V. 51. № 3. P. 335-342. http://dx.doi.org/10.15389/agrobiology.2016.3.335eng

9. Dymova O. Chlorophylls and their role in photosynthesis / O. Dymova, L. Fiedor // Photosynthetic pigments: chemical structure, biological function and ecology. 2014. P. 140-160.

10. Glickmann E. Auxin production is a common feature of most pathovars of Pseudomonas syringae / E. Glickmann, Gardan, S. Jacquet, S. Hussain, M. Elasri, A. Petit, Y. Dessaux // Molecular plant-microbe interactions. 1998. V. 11. № 2. P. 156-162. https://doi.org/10.1094/MPMI.1998.11.2.156

11. Golovko, T. Pigments and productivity of the crop plants / T. Golovko, G. Tabalenkova // Photosynthetic pigments: chemical structure, biological function and ecology. Syktyvkar, 2014. P. 207-220.

12. Lavicoli A. Induced systemic resistance in Arabidopsis thaliana in response to root inoculation with Pseudomonas fluorescens CHA0 / Lavicoli, E. Boutet, A. Buchala, J. P. Mйtraux // Molecular Plant-Microbe Interactions. 2003. Vol. 16, № 10. P. 851-859. https://doi.org/10.1094/MPMI.2003.16.10.851

13. Minaeva O. M. Effectiveness of applying bacteria Pseudomonas sp., strain b-6798, for anti-phytopathogenic protection of crops in Western Siberia / O. M. Minaeva, E. E. Akimova // Tomsk State University Journal of Biology. 2013. № 3 (23). С. 19-37.

14. Ortiz-Castro R. Pseudomonas putida and Pseudomonas fluorescens influence Arabidopsis root system architecture through an auxin response mediated by bioactive cyclodipeptides / R. Ortiz-Castro, J. Campos-Garcнa, J. Lуpez-Bucio, // Journal of Plant Growth Regulation. 2020. № - P. 254-265. https://doi.org/10.1007/s00344-019-09979-w

15. Oteino N. Plant growth promotion induced by phosphate solubilizing endophytic Pseudomonas isolates / N. Oteino, D. Lally, S. Kiwanuka, A. Lloyd, D. Ryan, K. J. Germaine, D. N. Dowling // Front. Microbiol. 2015. № 6. P. 745. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00745

16. Ricci E. Growth promotion of greenhouse tomatoes with Pseudomonas sp. and Bacillus sp. biofilms and planktonic cells / E. Ricci, T. Schwinghamer, D. Fan, D. L. Smith, V. Gravel // Applied Soil Ecology. 2019. № 138. P. 61-68. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.02.009

17. Trinh C. S. Evaluation of the plant growth-promoting activity of Pseudomonas nitroreducens in Arabidopsis thaliana and Lactuca sativa / C. S. Trinh, H. Lee, W. J. Lee, S. J. Lee, N. Chung, J. Han, J. Kim, S.-W. Hong, H. Lee // Plant Cell Reports. 2018. № - P. 873-885. https://doi.org/10.1007/s00299-018-2275-8

18. Wintermans J. Spectrophotometric characteristics of chlorophylls a and b and their phenophytins in ethanol / Wintermans, A. S. De Mots // Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biophysics including Photosynthesis. 1965. V. 109. № 2. P. 448-453. https://doi.org/10.1016/0926-6585(65)90170-6

Размещено на Allbest.ru