Введение. Люцерна — кормовая культура, которая дает высокобелковый, богатый витаминами, углеводами, минеральными солями и микроэлементами корм для скота и птицы, а его переваримость достигает 70–80% [1].

Люцерна обладает очень важным общебиологическим и хозяйственным свойством — способностью фиксировать молекулярный азот воздуха и обогащать им почву фитоценозов.

Урожайность люцерны в значительной степени зависит от успешности формирования растительно-микробной симбиотической системы с клубеньковыми бактериями (ризобиями), которая становится способной фиксировать азот атмосферы. Согласно современным исследованиям по симбиогенетике, эффективность симбиотических систем предопределяется комплементарностью взаимодействия геномов растения и его микросимбионта [2].

При взаимодействии с бобовым растением-хозяином клетки бактерий претерпевают глобальные изменения на всех уровнях реализации генетической информации, приводящие к формированию в корневых клубеньках, так называемых бактероидов, функционирующих в качестве «фабрик» для азотфиксации. Молекулярные механизмы, лежащие в основе микробно-растительного симбиоза, активно изучаются, и одним из наиболее интересных и малоизученных аспектов данной проблемы является видоспецифичность взаимодействия клубеньковых бактерий с растением-хозяином [3].

Известно, что симбиотические отношения клубеньковых бактерий и растений находятся под сложным генетическим контролем. Начало симбиоза индуцируется секрецией комплекса флавоноидов бобовым растением, в ответ на которые клубеньковые бактерии начинают продуцировать транскрипционные регуляторы семейства LysR, кодируемые опероном nod и опосредующие синтез липохитоолигосахаридов, называемых факторами Nod (от nodulation — клубенькообразование). Белки, кодируемые опероном nod, играют ключевую роль в выборе хозяина клубеньковыми бактериями [4].

Симбиотическая азотфиксация, осуществляемая при взаимодействии клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, — основной источник «биологического» азота, определяющий высокую продуктивность и экологическую безопасность агроценозов при дефиците трофических ресурсов почвы. Несмотря на хорошую генетическую изученность бобово-ризобиального симбиоза, знания о механизмах детерминации его эффективности мало используются для конструирования хозяйственно ценных азотфиксирующих систем. Это связано со сложностью контроля количественных признаков симбиоза, которые определяются большим числом функционально разнородных бактериальных генов, а также зависят от генетически полиморфных растений-хозяев и от широкого комплекса неконтролируемых экологических факторов [5].

Исследования, посвященные конструированию хозяйственно ценных азотфиксирующих растительно-микробных (сорто-микробных) симбиотических систем, проводятся в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса». В лаборатории селекционных симбиотических технологий в период с 1990 по 2015 гг. была разработана методика создания сорто-микробных систем люцерны изменчивой с высокой активностью и эффективностью симбиоза. Г.В. Степанова (2013) пишет: «Под сорто-микробной системой подразумевается генетически близкие (комплементарные) сорт люцерны и штамм полезных микроорганизмов. К последним относятся клубеньковые бактерии (Sinorhizobium meliloti), эндомикоризные грибы везикулярно-арбускулярного типа (Glomus sp.), ассоциативные бактерии родов Klebsiella, Arthrobacter, Azospirillum и др. В настоящее время наиболее распространены сорто-микробные системы бобовых растений (клевер, люцерна, горох, вика) и клубеньковых бактерий» [6].

В ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» проведена оценка урожайности сортов люцерны изменчивой Вега 87 и Пастбищная 88 при разном способе азотного питания. При заблокированной симбиотической азотфиксации (инокуляция мутантным штаммом Nod⁺fix^–) растения люцерны были переведены на автотрофное питание азотом почвы. Урожайность сорта Вега 87 составила 3,6 т/га сухого вещества, а сорта Пастбищная 88 — 3,0 т/га. В варианте при традиционном способе выращивания урожайность возросла до 4,3 и 5,6 т/га сухого вещества соответственно. За счет симбиоза с местными расами клубеньковых бактерий, присутствующих в почве, урожайность сорта Вега 87 увеличилась на 19%, а сорта Пастбищная 88 — на 87 %. Предпосевная инокуляция семян сорта Пастбищная 88 штаммами 404б, 412б и 415б повысила урожайность до 7,5–9,9 т/га сухого вещества (+150–230%), а сорта Вега 87 — до 5,2–5,3 т/га (+44–47%) [7].

Чтобы существенно повысить активность симбиоза (накопление биологического азота) и его эффективность (ускорение роста и развития растений, накопление биомассы) была разработана методика сопряженной селекции сортов люцерны с повышенной симбиотрофностью. Г.В. Степанова (2013) пишет: «Селекционный процесс создания сорто-мик-робных систем включает создание сорта люцерны с заданными хозяйственными свойствами и высоким уровнем симбиотрофности, а также комплементарный этому сорту штамм ризобий, обеспечивающий высокую эффективность симбиоза при предпосевной инокуляции семян люцерны этим штаммом» [6].

В ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» разработаны «Новые способы сопряженной растительно-микробной селекции люцерны и овсяницы красной. С их использованием созданы новые сорта люцерны изменчивой (Medicago varia Mart.), которые обладают повышенной урожайностью, устойчивостью к стрессовым факторам, высокой эффективностью симбиоза с активными штаммами клубеньковых бактерий (Sinorhizobium meliloti)» [8; 9].

С целью продвижения возделывания люцерны на север разработана биотехнология сопряженной растительно-микробной симбиотической селекции для создания сортов с повышенной эффективностью симбиоза и адаптивной способностью, способных расти на неокультуренных и среднеокультуренных кислых почвах. С использованием этой биотехнологии был создан сорт люцерны изменчивой Таисия. Сорт рекомендован для возделывания в Северо-Западном, Центральном и Волго-Вятском регионах. При выращивании традиционным методом (без предпосевной инокуляции семян) на среднеокультуренной почве урожайность сорта Таисия в Северо-Западном регионе была в пределах 6,8–16,0 т/га, в Центральном — 5,6–14,2 т/га, Волго-Вятском — 8,4–20,0 т/га. Предпосевная инокуляция семян комплементарными штаммами клубеньковых бактерий повышала урожайность зеленой массы в Северо-Западном регионе на 30–177%, в Центральном — на 45–102% [10].

В исследованиях Горского университета показано: «…чем активнее азотфиксирующий процесс, тем интенсивнее происходит фотосинтетическая деятельность и, в результате, улучшаются показатели линейного роста растений люцерны. Во все годы исследований варианты опыта с более активными процессами азотфиксации (штаммы 1000; 1600 и 2000) имели наибольшую высоту растений. Растения контрольного варианта в год посева имели высоту от 47 до 52 см, которая варьировала в зависимости от укоса. Промышленный штамм ризоторфина (штамм 425а) прибавил к росту растений 2–4 см, что, на наш взгляд, связано с лучшей обеспеченностью растений биологически связанным азотом. В вариантах со штаммами 1000, 1600 и 2000 растения были выше контрольных посевов на 7–10 см» [11].

Анализируя вышесказанное, можно прийти к заключению, что симбиоз растений люцерны с местными расами клубеньковых бактерий и, особенно, с активными штаммами клубеньковых бактерий существенно, на 30–230%, повышает продуктивность растений люцерны (эффективность симбиоза). Вступление растений люцерны в эффективные симбиотические взаимодействия с клубеньковыми бактериями оказывает заметное влияние и на многие другие количественные признаки, в том числе на рост и развитие растений.

Цель исследований — изучить влияние симбиоза сортов люцерны изменчивой Лада и Луговая 67 со штаммами ризобий СХМ 404б и Т 15 на рост и развитие растений люцерны.

Материал и методика. Исследования проводили на Центральной экспериментальной базе ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, расположенной севернее Москвы на 30 км, в 2007–2009 гг.

Почва опытного участка дерново-подзолистая, среднесуглинистая. Содержание гумуса по Тюрину — 1,85%, рН солевой вытяжки — 5,9, содержание подвижного фосфора — 225 мг, калия — 175 мг, гидролизуемого азота — 40,26 мг на 1 кг почвы.

Погодные условия вегетационных периодов в годы проведения исследований были благоприятными для роста и развития люцерны (табл. 1).

Весна 2008 г. была ранняя, теплая, дружная. Высокая температура воздуха в апреле (средняя +8,4 °С) в сочетании с достаточной влагообеспеченностью вызвали раннее начало отрастания люцерны. Сравнительно прохладная погода в мае и июне задержала рост и развитие растений люцерны.

Весна 2009 г. была прохладная и затяжная. Отрастание люцерны началось в начале мая. Теплая погода в мае–июле (на 1,5–1,1 °С выше среднемноголетних значений) ускорила развитие и рост растений люцерны (табл. 1).

1. Погодные условия вегетационных периодов 2008 и 2009 гг.

Материалом исследований послужили сорта люцерны изменчивой селекции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса Луговая 67 и Лада [12] и биопрепарат «ризоторфин» (штаммы клубеньковых бактерий СХМ 404б и Т 15), полученный из ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. С.-Петербург).

Семена люцерны перед посевом обрабатывали биопрепаратом методом опудривания из расчета 20 г препарата на 100 г семян. Посев широкорядный с междурядьями 0,45 м, делянки четырехрядковые, учетная площадь — 7 м², повторность четырехкратная. Наблюдения и учеты проводили согласно общепринятым методикам [13; 14].

Результаты исследований. Наиболее ярко проявляются особенности симбиотических взаимодействий растений люцерны со штаммами клубеньковых бактерий в год посева [14; 15]. Однако мы в своем исследовании начали изучение сорто-микробных взаимодействий между растениями люцерны сортов Луговая 67 и Лада со штаммами клубеньковых бактерий СХМ 404б и Т 15 со второго года жизни травостоя (первого года пользования), как это принято в кормопроизводстве. Травостой люцерны в год посева обычно не имеет хозяйственного значения, использовать его на корм и семена начинают со второго года жизни.

Отрастание люцерны весной 2008 г. началось очень рано — 20–22 апреля; объясняется это ранней весной и теплой погодой в апреле.

Через 5–7 суток наступила фаза полного отрастания. Особенно интенсивным отрастанием отличались растения сорта Лада (табл. 2).

2. Динамика развития растений люцерны изменчивой первого года пользования

(данные 2008 г., посев 2007 г.)

*Контроль — вариант без инокуляции.

Фаза начала бутонизации была отмечена через 46–50 суток после начала весеннего отрастания. Спустя еще 5–7 суток после начала бутонизации отметили фазу полной бутонизации. Укосная спелость (фаза начала цветения) разных сорто-микробных систем наступила через 62–71 сутки после начала отрастания. В 2008 г. более ранним оказался сорт Лада. При традиционном способе посева (контроль) начало цветения растений сорта Лада началось через 69 суток после начала отрастания, а сорта Луговая 67 — через 71. Предпосевная инокуляция штаммом ризобий СХМ 404б сократила период от начала отрастания до начала цветения растений сорта Лада на трое суток, а сорта Луговая 67 — на шесть суток. Инокуляция штаммом Т 15 ускорила наступление фазы начала цветения на семь суток по обоим сортам (табл. 2).

В 2008 г. раннее весеннее отрастание растений люцерны и интенсивное развитие в июле и августе были обусловлены высокой температурой воздуха (в апреле на 3,9ºС, летом на 1,3–2,2 ºС выше среднемноголетних показателей) и обильными осадками в течение всего вегетационного периода. В 2009 г. весна была поздней, но дружной. Начало отрастания растений люцерны в варианте без инокуляции отмечено 4 мая сорта Луговая 67 и 2 мая сорта Лада. Инокуляция штаммом СХМ 404б ускорила весеннее отрастание растений люцерны обоих сортов на трое суток, а штаммом Т 15 — на шесть суток (табл. 3).

Полное отрастание наступило через 6–7 суток. Продолжительность периода от начала отрастания до начала бутонизации растений люцерны сорта Луговая 67 в 2009 г. была такая же, как и в 2008 г., а сорта Лада — короче в среднем на 2 дня. Продолжительность периода от начала весеннего отрастания до начала цветения растений люцерны сорта Луговая 67 в 2009 г. в варианте без инокуляции составила 78 суток, сорта Лада — 73 суток, что на 7 и 4 суток длиннее, чем в 2008 г. Объясняется это, по-видимому, более прохладной и сухой погодой по сравнению с вегетационным периодом 2008 г. Инокуляция штаммом СХМ 404б сократила период развития до начала цветения растений сорта Луговая 67 на 4 суток, а сорта Лада — на 5 суток, а штаммом Т 15 — на 7 и 8 суток (табл. 3).

3. Динамика развития растений люцерны изменчивой первого года пользования

(данные 2009 г., посев 2007 г.)

Таким образом, предпосевная инокуляция семян люцерны сортов Лада и Луговая 67 штаммами СХМ 404б и Т 15 в первые 2 года пользования ускоряет развитие растений, в результате чего фаза начала цветения травостоя сорто-микроб-ных систем со штаммом СХМ 404б наступает на 3–5 суток, со штаммом Т 15 — на 6–8 суток раньше по сравнению с традиционным способом выращивания.

Важным показателем, характеризующим эффективность симбиоза, является интенсивность роста растений под влиянием растительно-микробных взаимодействий. Погодные условия в годы исследований были благоприятными для роста и развития люцерны. Растения люцерны второго года пользования были выше по сравнению с первым из-за естественного роста, развития и увеличения мощности растений люцерны. В варианте с традиционным способом выращивания средняя высота растений сорта Луговая 67 первого года пользования в фазу начала цветения составляла 43 см, сорта Лада — 40 см, на второй год пользования она увеличилась до 59 и 70 см соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Средняя высота растений люцерны в фазу начала цветения, см. Посев 2007 г.

Инокуляция препаратом штамма СХМ 404б увеличила высоту растений сорта Луговая 67 в первый год пользования на 7 см, во второй — на 11 см по сравнению с контролем, а сорта Лада — на 10 и 7 см. Под влиянием инокуляции штаммом Т 15 высота растений сорта Луговая 67 возросла в первый год пользования на 7 см, во второй — на 13 см, а сорта Лада — на 16 и 12 см соответственно (рис. 1).

Таким образом, предпосевная инокуляция семян люцерны изменчивой сортов Луговая 67 и Лада штаммами СХМ 404б и Т 15 формировала эффективные люцерно-ризобиальные симбиотические системы, в результате чего ускорялось развитие растений люцерны и сокращался период от начала весеннего отрастания до начала цветения на 3–6 суток. Кроме ускорения развития растений люцерны, ускорялся их рост, высота растений люцерны возрастала на 7–16 см по сравнению с вариантом без инокуляции.

В варианте без инокуляции средняя скорость роста растений сорта Луговая 67 составляла в 2008 г. 0,60 см/сутки, в 2009 г. — 0,76 см/сутки. Показатели сорта Лада были 0,58 и 0,96 см/сутки (рис. 2).

Рис. 2. Средняя скорость роста растений люцерны в период от начала отрастания

до начала цветения, см/сутки. Посев 2007 г.

Инокуляция штаммом СХМ 404б повысила скорость роста растений люцерны сорта Луговая 67 до 0,77 и 0,95 см/сутки, сорта Лада — до 0,76 и 1,13 см/сутки. Наиболее высокую скорость роста обеспечил штамм Т 15: средняя скорость роста растений люцерны сорта Луговая 67 достигала 0,89 и 1,01 см/сутки, сорта Лада — 0,90 и 1,26 см/сутки (рис. 2). Таким образом, сорт Лада отличается более высоким уровнем симбиотрофности по сравнению с сортом Луговая 67.

Схожие результаты получены в системе Географической сети оценки биопрепаратов. Сорта люцерны Луговая 67 и Лада изучали в течение 2002–2009 гг. в Брянской области и в 2005–2018 гг. в Новгородской области.

Урожайность сорта Лада от инокуляции штаммом А2 в условиях Центрального и Северо-Западного регионов была сходной (средняя эффективность симбиоза 42,5%). Инокуляция растений сорта Луговая 67 сопровождалась формированием эффективной симбиотической системы только в случае использования производственного штамма 425а (прибавка по сухому веществу составила 20,5%). Следовательно, систему Лада-А2 можно рассматривать как эффективную и обладающую широкой адаптивностью, тогда как система Луговая 67-425а дает статистически значимые, но невысокие прибавки [2].

Чтобы выявить зависимость скорости роста растений люцерны сорто-микробных систем от интенсивности развития провели корреляционно-регрессионный анализ. В первый год пользования выявлена обратная корреляционная зависимость между интенсивностью развития (продолжительностью периода от начала отрастания весной до начала цветения) и высотой растений. Коэффициент корреляции r = –0,67 ± 0,37; фактический критерий существенности t_r = 1,81 <t₀₅ = 2,57. Теоретическая линия регрессии, показанная на рисунке 3, имеет экспоненциальное приближение к прямолинейной обратной корреляционной зависимости.

Рис. 3. Средняя высота растений люцерны сорто-микробных систем

в зависимости от продолжительности периода от начала весеннего

отрастания до начала цветения, данные 2008 г.

На второй год пользования прослеживается высоко существенная обратная прямолинейная зависимость между продолжительностью периода от начала весеннего отрастания до начала цветения. Коэффициент корреляции (r) равен –0,98 ± 0,09; t_r = 10,25 > t₀₁ = 4,03.

Зависимость описывается линейным уравнением регрессии Y = –1,66 + 190,27 (рис. 4).

Рис. 4. Средняя высота растений люцерны сорто-микробных систем

в зависимости от продолжительности периода от начала весеннего отрастания

до начала цветения, данные 2009 г.

Заключение. Предпосевная инокуляция семян люцерны изменчивой сортов Лада и Луговая 67 штаммами СХМ 404б и Т 15 позволяла сформировать эф-фективные люцерно-ризобиальные симбиотические системы, в результате чего ускорялись развитие и рост растений люцерны.

Период от начала весеннего отрастания до начала цветения сократился в среднем на 3–6 суток, а средняя высота растений люцерны увеличилась на 7–16 см по сравнению с вариантом без инокуляции. Выявлена статистически значимая обратная корреляционная зависимость между интенсивностью развития (продолжительность периода от начала весеннего отрастания до начала цветения) и средней высотой растений люцерны: коэффициент корреляции (r) первого года пользования равен –0,67, второго — –0,98.

Введение. Люцерна — кормовая культура, которая дает высокобелковый, богатый витаминами, углеводами, минеральными солями и микроэлементами корм для скота и птицы, а его переваримость достигает 70–80% [1].

Люцерна обладает очень важным общебиологическим и хозяйственным свойством — способностью фиксировать молекулярный азот воздуха и обогащать им почву фитоценозов.

Урожайность люцерны в значительной степени зависит от успешности формирования растительно-микробной симбиотической системы с клубеньковыми бактериями (ризобиями), которая становится способной фиксировать азот атмосферы. Согласно современным исследованиям по симбиогенетике, эффективность симбиотических систем предопределяется комплементарностью взаимодействия геномов растения и его микросимбионта [2].

При взаимодействии с бобовым растением-хозяином клетки бактерий претерпевают глобальные изменения на всех уровнях реализации генетической информации, приводящие к формированию в корневых клубеньках, так называемых бактероидов, функционирующих в качестве «фабрик» для азотфиксации. Молекулярные механизмы, лежащие в основе микробно-растительного симбиоза, активно изучаются, и одним из наиболее интересных и малоизученных аспектов данной проблемы является видоспецифичность взаимодействия клубеньковых бактерий с растением-хозяином [3].

Известно, что симбиотические отношения клубеньковых бактерий и растений находятся под сложным генетическим контролем. Начало симбиоза индуцируется секрецией комплекса флавоноидов бобовым растением, в ответ на которые клубеньковые бактерии начинают продуцировать транскрипционные регуляторы семейства LysR, кодируемые опероном nod и опосредующие синтез липохитоолигосахаридов, называемых факторами Nod (от nodulation — клубенькообразование). Белки, кодируемые опероном nod, играют ключевую роль в выборе хозяина клубеньковыми бактериями [4].

Симбиотическая азотфиксация, осуществляемая при взаимодействии клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, — основной источник «биологического» азота, определяющий высокую продуктивность и экологическую безопасность агроценозов при дефиците трофических ресурсов почвы. Несмотря на хорошую генетическую изученность бобово-ризобиального симбиоза, знания о механизмах детерминации его эффективности мало используются для конструирования хозяйственно ценных азотфиксирующих систем. Это связано со сложностью контроля количественных признаков симбиоза, которые определяются большим числом функционально разнородных бактериальных генов, а также зависят от генетически полиморфных растений-хозяев и от широкого комплекса неконтролируемых экологических факторов [5].

Исследования, посвященные конструированию хозяйственно ценных азотфиксирующих растительно-микробных (сорто-микробных) симбиотических систем, проводятся в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса». В лаборатории селекционных симбиотических технологий в период с 1990 по 2015 гг. была разработана методика создания сорто-микробных систем люцерны изменчивой с высокой активностью и эффективностью симбиоза. Г.В. Степанова (2013) пишет: «Под сорто-микробной системой подразумевается генетически близкие (комплементарные) сорт люцерны и штамм полезных микроорганизмов. К последним относятся клубеньковые бактерии (Sinorhizobium meliloti), эндомикоризные грибы везикулярно-арбускулярного типа (Glomus sp.), ассоциативные бактерии родов Klebsiella, Arthrobacter, Azospirillum и др. В настоящее время наиболее распространены сорто-микробные системы бобовых растений (клевер, люцерна, горох, вика) и клубеньковых бактерий» [6].

В ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» проведена оценка урожайности сортов люцерны изменчивой Вега 87 и Пастбищная 88 при разном способе азотного питания. При заблокированной симбиотической азотфиксации (инокуляция мутантным штаммом Nod⁺fix^–) растения люцерны были переведены на автотрофное питание азотом почвы. Урожайность сорта Вега 87 составила 3,6 т/га сухого вещества, а сорта Пастбищная 88 — 3,0 т/га. В варианте при традиционном способе выращивания урожайность возросла до 4,3 и 5,6 т/га сухого вещества соответственно. За счет симбиоза с местными расами клубеньковых бактерий, присутствующих в почве, урожайность сорта Вега 87 увеличилась на 19%, а сорта Пастбищная 88 — на 87 %. Предпосевная инокуляция семян сорта Пастбищная 88 штаммами 404б, 412б и 415б повысила урожайность до 7,5–9,9 т/га сухого вещества (+150–230%), а сорта Вега 87 — до 5,2–5,3 т/га (+44–47%) [7].

Чтобы существенно повысить активность симбиоза (накопление биологического азота) и его эффективность (ускорение роста и развития растений, накопление биомассы) была разработана методика сопряженной селекции сортов люцерны с повышенной симбиотрофностью. Г.В. Степанова (2013) пишет: «Селекционный процесс создания сорто-мик-робных систем включает создание сорта люцерны с заданными хозяйственными свойствами и высоким уровнем симбиотрофности, а также комплементарный этому сорту штамм ризобий, обеспечивающий высокую эффективность симбиоза при предпосевной инокуляции семян люцерны этим штаммом» [6].

В ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» разработаны «Новые способы сопряженной растительно-микробной селекции люцерны и овсяницы красной. С их использованием созданы новые сорта люцерны изменчивой (Medicago varia Mart.), которые обладают повышенной урожайностью, устойчивостью к стрессовым факторам, высокой эффективностью симбиоза с активными штаммами клубеньковых бактерий (Sinorhizobium meliloti)» [8; 9].

С целью продвижения возделывания люцерны на север разработана биотехнология сопряженной растительно-микробной симбиотической селекции для создания сортов с повышенной эффективностью симбиоза и адаптивной способностью, способных расти на неокультуренных и среднеокультуренных кислых почвах. С использованием этой биотехнологии был создан сорт люцерны изменчивой Таисия. Сорт рекомендован для возделывания в Северо-Западном, Центральном и Волго-Вятском регионах. При выращивании традиционным методом (без предпосевной инокуляции семян) на среднеокультуренной почве урожайность сорта Таисия в Северо-Западном регионе была в пределах 6,8–16,0 т/га, в Центральном — 5,6–14,2 т/га, Волго-Вятском — 8,4–20,0 т/га. Предпосевная инокуляция семян комплементарными штаммами клубеньковых бактерий повышала урожайность зеленой массы в Северо-Западном регионе на 30–177%, в Центральном — на 45–102% [10].

В исследованиях Горского университета показано: «…чем активнее азотфиксирующий процесс, тем интенсивнее происходит фотосинтетическая деятельность и, в результате, улучшаются показатели линейного роста растений люцерны. Во все годы исследований варианты опыта с более активными процессами азотфиксации (штаммы 1000; 1600 и 2000) имели наибольшую высоту растений. Растения контрольного варианта в год посева имели высоту от 47 до 52 см, которая варьировала в зависимости от укоса. Промышленный штамм ризоторфина (штамм 425а) прибавил к росту растений 2–4 см, что, на наш взгляд, связано с лучшей обеспеченностью растений биологически связанным азотом. В вариантах со штаммами 1000, 1600 и 2000 растения были выше контрольных посевов на 7–10 см» [11].

Анализируя вышесказанное, можно прийти к заключению, что симбиоз растений люцерны с местными расами клубеньковых бактерий и, особенно, с активными штаммами клубеньковых бактерий существенно, на 30–230%, повышает продуктивность растений люцерны (эффективность симбиоза). Вступление растений люцерны в эффективные симбиотические взаимодействия с клубеньковыми бактериями оказывает заметное влияние и на многие другие количественные признаки, в том числе на рост и развитие растений.

Цель исследований — изучить влияние симбиоза сортов люцерны изменчивой Лада и Луговая 67 со штаммами ризобий СХМ 404б и Т 15 на рост и развитие растений люцерны.

Материал и методика. Исследования проводили на Центральной экспериментальной базе ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, расположенной севернее Москвы на 30 км, в 2007–2009 гг.

Почва опытного участка дерново-подзолистая, среднесуглинистая. Содержание гумуса по Тюрину — 1,85%, рН солевой вытяжки — 5,9, содержание подвижного фосфора — 225 мг, калия — 175 мг, гидролизуемого азота — 40,26 мг на 1 кг почвы.

Погодные условия вегетационных периодов в годы проведения исследований были благоприятными для роста и развития люцерны (табл. 1).

Весна 2008 г. была ранняя, теплая, дружная. Высокая температура воздуха в апреле (средняя +8,4 °С) в сочетании с достаточной влагообеспеченностью вызвали раннее начало отрастания люцерны. Сравнительно прохладная погода в мае и июне задержала рост и развитие растений люцерны.

Весна 2009 г. была прохладная и затяжная. Отрастание люцерны началось в начале мая. Теплая погода в мае–июле (на 1,5–1,1 °С выше среднемноголетних значений) ускорила развитие и рост растений люцерны (табл. 1).

1. Погодные условия вегетационных периодов 2008 и 2009 гг.

Материалом исследований послужили сорта люцерны изменчивой селекции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса Луговая 67 и Лада [12] и биопрепарат «ризоторфин» (штаммы клубеньковых бактерий СХМ 404б и Т 15), полученный из ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. С.-Петербург).

Семена люцерны перед посевом обрабатывали биопрепаратом методом опудривания из расчета 20 г препарата на 100 г семян. Посев широкорядный с междурядьями 0,45 м, делянки четырехрядковые, учетная площадь — 7 м², повторность четырехкратная. Наблюдения и учеты проводили согласно общепринятым методикам [13; 14].

Результаты исследований. Наиболее ярко проявляются особенности симбиотических взаимодействий растений люцерны со штаммами клубеньковых бактерий в год посева [14; 15]. Однако мы в своем исследовании начали изучение сорто-микробных взаимодействий между растениями люцерны сортов Луговая 67 и Лада со штаммами клубеньковых бактерий СХМ 404б и Т 15 со второго года жизни травостоя (первого года пользования), как это принято в кормопроизводстве. Травостой люцерны в год посева обычно не имеет хозяйственного значения, использовать его на корм и семена начинают со второго года жизни.

Отрастание люцерны весной 2008 г. началось очень рано — 20–22 апреля; объясняется это ранней весной и теплой погодой в апреле.

Через 5–7 суток наступила фаза полного отрастания. Особенно интенсивным отрастанием отличались растения сорта Лада (табл. 2).

2. Динамика развития растений люцерны изменчивой первого года пользования

(данные 2008 г., посев 2007 г.)

*Контроль — вариант без инокуляции.

Фаза начала бутонизации была отмечена через 46–50 суток после начала весеннего отрастания. Спустя еще 5–7 суток после начала бутонизации отметили фазу полной бутонизации. Укосная спелость (фаза начала цветения) разных сорто-микробных систем наступила через 62–71 сутки после начала отрастания. В 2008 г. более ранним оказался сорт Лада. При традиционном способе посева (контроль) начало цветения растений сорта Лада началось через 69 суток после начала отрастания, а сорта Луговая 67 — через 71. Предпосевная инокуляция штаммом ризобий СХМ 404б сократила период от начала отрастания до начала цветения растений сорта Лада на трое суток, а сорта Луговая 67 — на шесть суток. Инокуляция штаммом Т 15 ускорила наступление фазы начала цветения на семь суток по обоим сортам (табл. 2).

В 2008 г. раннее весеннее отрастание растений люцерны и интенсивное развитие в июле и августе были обусловлены высокой температурой воздуха (в апреле на 3,9ºС, летом на 1,3–2,2 ºС выше среднемноголетних показателей) и обильными осадками в течение всего вегетационного периода. В 2009 г. весна была поздней, но дружной. Начало отрастания растений люцерны в варианте без инокуляции отмечено 4 мая сорта Луговая 67 и 2 мая сорта Лада. Инокуляция штаммом СХМ 404б ускорила весеннее отрастание растений люцерны обоих сортов на трое суток, а штаммом Т 15 — на шесть суток (табл. 3).

Полное отрастание наступило через 6–7 суток. Продолжительность периода от начала отрастания до начала бутонизации растений люцерны сорта Луговая 67 в 2009 г. была такая же, как и в 2008 г., а сорта Лада — короче в среднем на 2 дня. Продолжительность периода от начала весеннего отрастания до начала цветения растений люцерны сорта Луговая 67 в 2009 г. в варианте без инокуляции составила 78 суток, сорта Лада — 73 суток, что на 7 и 4 суток длиннее, чем в 2008 г. Объясняется это, по-видимому, более прохладной и сухой погодой по сравнению с вегетационным периодом 2008 г. Инокуляция штаммом СХМ 404б сократила период развития до начала цветения растений сорта Луговая 67 на 4 суток, а сорта Лада — на 5 суток, а штаммом Т 15 — на 7 и 8 суток (табл. 3).

3. Динамика развития растений люцерны изменчивой первого года пользования

(данные 2009 г., посев 2007 г.)

Таким образом, предпосевная инокуляция семян люцерны сортов Лада и Луговая 67 штаммами СХМ 404б и Т 15 в первые 2 года пользования ускоряет развитие растений, в результате чего фаза начала цветения травостоя сорто-микроб-ных систем со штаммом СХМ 404б наступает на 3–5 суток, со штаммом Т 15 — на 6–8 суток раньше по сравнению с традиционным способом выращивания.

Важным показателем, характеризующим эффективность симбиоза, является интенсивность роста растений под влиянием растительно-микробных взаимодействий. Погодные условия в годы исследований были благоприятными для роста и развития люцерны. Растения люцерны второго года пользования были выше по сравнению с первым из-за естественного роста, развития и увеличения мощности растений люцерны. В варианте с традиционным способом выращивания средняя высота растений сорта Луговая 67 первого года пользования в фазу начала цветения составляла 43 см, сорта Лада — 40 см, на второй год пользования она увеличилась до 59 и 70 см соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Средняя высота растений люцерны в фазу начала цветения, см. Посев 2007 г.

Инокуляция препаратом штамма СХМ 404б увеличила высоту растений сорта Луговая 67 в первый год пользования на 7 см, во второй — на 11 см по сравнению с контролем, а сорта Лада — на 10 и 7 см. Под влиянием инокуляции штаммом Т 15 высота растений сорта Луговая 67 возросла в первый год пользования на 7 см, во второй — на 13 см, а сорта Лада — на 16 и 12 см соответственно (рис. 1).

Таким образом, предпосевная инокуляция семян люцерны изменчивой сортов Луговая 67 и Лада штаммами СХМ 404б и Т 15 формировала эффективные люцерно-ризобиальные симбиотические системы, в результате чего ускорялось развитие растений люцерны и сокращался период от начала весеннего отрастания до начала цветения на 3–6 суток. Кроме ускорения развития растений люцерны, ускорялся их рост, высота растений люцерны возрастала на 7–16 см по сравнению с вариантом без инокуляции.

В варианте без инокуляции средняя скорость роста растений сорта Луговая 67 составляла в 2008 г. 0,60 см/сутки, в 2009 г. — 0,76 см/сутки. Показатели сорта Лада были 0,58 и 0,96 см/сутки (рис. 2).

Рис. 2. Средняя скорость роста растений люцерны в период от начала отрастания

до начала цветения, см/сутки. Посев 2007 г.

Инокуляция штаммом СХМ 404б повысила скорость роста растений люцерны сорта Луговая 67 до 0,77 и 0,95 см/сутки, сорта Лада — до 0,76 и 1,13 см/сутки. Наиболее высокую скорость роста обеспечил штамм Т 15: средняя скорость роста растений люцерны сорта Луговая 67 достигала 0,89 и 1,01 см/сутки, сорта Лада — 0,90 и 1,26 см/сутки (рис. 2). Таким образом, сорт Лада отличается более высоким уровнем симбиотрофности по сравнению с сортом Луговая 67.

Схожие результаты получены в системе Географической сети оценки биопрепаратов. Сорта люцерны Луговая 67 и Лада изучали в течение 2002–2009 гг. в Брянской области и в 2005–2018 гг. в Новгородской области.

Урожайность сорта Лада от инокуляции штаммом А2 в условиях Центрального и Северо-Западного регионов была сходной (средняя эффективность симбиоза 42,5%). Инокуляция растений сорта Луговая 67 сопровождалась формированием эффективной симбиотической системы только в случае использования производственного штамма 425а (прибавка по сухому веществу составила 20,5%). Следовательно, систему Лада-А2 можно рассматривать как эффективную и обладающую широкой адаптивностью, тогда как система Луговая 67-425а дает статистически значимые, но невысокие прибавки [2].

Чтобы выявить зависимость скорости роста растений люцерны сорто-микробных систем от интенсивности развития провели корреляционно-регрессионный анализ. В первый год пользования выявлена обратная корреляционная зависимость между интенсивностью развития (продолжительностью периода от начала отрастания весной до начала цветения) и высотой растений. Коэффициент корреляции r = –0,67 ± 0,37; фактический критерий существенности t_r = 1,81 <t₀₅ = 2,57. Теоретическая линия регрессии, показанная на рисунке 3, имеет экспоненциальное приближение к прямолинейной обратной корреляционной зависимости.

Рис. 3. Средняя высота растений люцерны сорто-микробных систем

в зависимости от продолжительности периода от начала весеннего

отрастания до начала цветения, данные 2008 г.

На второй год пользования прослеживается высоко существенная обратная прямолинейная зависимость между продолжительностью периода от начала весеннего отрастания до начала цветения. Коэффициент корреляции (r) равен –0,98 ± 0,09; t_r = 10,25 > t₀₁ = 4,03.

Зависимость описывается линейным уравнением регрессии Y = –1,66 + 190,27 (рис. 4).

Рис. 4. Средняя высота растений люцерны сорто-микробных систем

в зависимости от продолжительности периода от начала весеннего отрастания

до начала цветения, данные 2009 г.

Заключение. Предпосевная инокуляция семян люцерны изменчивой сортов Лада и Луговая 67 штаммами СХМ 404б и Т 15 позволяла сформировать эф-фективные люцерно-ризобиальные симбиотические системы, в результате чего ускорялись развитие и рост растений люцерны.

Период от начала весеннего отрастания до начала цветения сократился в среднем на 3–6 суток, а средняя высота растений люцерны увеличилась на 7–16 см по сравнению с вариантом без инокуляции. Выявлена статистически значимая обратная корреляционная зависимость между интенсивностью развития (продолжительность периода от начала весеннего отрастания до начала цветения) и средней высотой растений люцерны: коэффициент корреляции (r) первого года пользования равен –0,67, второго — –0,98.

1. Ivanov A.I. Lyucerna. – M. : Kolos, 1980. – 347 s.

2. Vysokoeffektivnye shtammy kluben'kovyh bakteriy lyucerny (Medicago varia L.): molekulyarno-geneticheskaya harakteristika i ispol'zovanie v sopryazhennoy selekcii / M.L. Rumyanceva, M.E. Vladimirova, V.S. Muntyan, G.V. Stepanova, A.S. Saksaganskaya, A.P. Kozhemyakov, A.G. Orlova, A. Becker, B.V. Simarov // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. – 2019. – T. 54, № 6. – S. 1306–1323. (doi: 10.15389/agrobiology.2019.6.1306rus).

3. Proteomnyy profil' bakterii Sinorhizobium meliloti zavisit ot ee zhiznennoy formy i vida rasteniya-hozyaina / K.S. Antonec, O.P. Onischuk, O.N. Kurchak, K.V. Volkov, A.N. Lyholay, E.A. Andreeva, E.E. Andronov, A.G. Pinaev, N.A. Provorov, A.A. Nizhnikov // Molekulyarnaya biologiya. – 2018. – T. 52, № 5. – S. 898–904.

4. Wang D., Yang S., Tang F., Zhu H. (2012) Symbiosis specificity in the legume-rhizobial mutualism. Cell. Microbiol. 14, 334–342.

5. Provorov N.A., Onischuk O.P. Ekologo-geneticheskie osnovy konstruirovaniya vysokoeffektivnyh azotfiksiruyuschih mikrobno-rastitel'nyh simbiozov // Ekologicheskaya genetika. – 2019. – T. 17, № 1. – S. 11–18. (https://doi.org/10.17816/ecogen17111-18).

6. Stepanova G.V. Sozdanie sortov lyucerny izmenchivoy novogo pokoleniya s vysokoy azotfiksiruyuschey sposobnost'yu // Materialy XXII mezhdunarodnogo simpoziuma «Ohrana biosfery. Eniologiya. Netradicionnoe rastenievodstvo. Ekologiya i medicina». – Alushta : Forma, 2013. – S. 240–243.

7. Stepanova G.V. Simbioticheskie svoystva sortov lyucerny izmenchivoy Vega 87 i Pastbischnaya 88 // Integraciya nauki i vysshego obrazovaniya, kak osnova innovacionnogo razvitiya agrarnogo proizvodstva : Materialy vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. – Yaroslavl' : Kancler, 2019. – S. 145–147.

8. Stepanova G.V. Novye sposoby i rezul'taty sopryazhennoy selekcii kormovyh trav // Ohrana bio-noosfery. Netradicionnoe rastenievodstvo. Eniologiya. Ekologiya i zdorov'e: Materialy XXIV Mezhdunarodnogo nauchnogo simpoziuma. – Alushta : Forma, 2015. – S. 308–313.

9. Stepanova G.V. Sposoby i rezul'taty sopryazhennoy rastitel'no-rizobial'noy selekcii lyucerny // Sovremennye problemy i strategiya razvitiya agrarnoy nauki evropeyskogo severa Rossii : Materialy Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii, posvyaschennoy 80-letiyu so dnya osnovaniya Karel'skoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy opytnoy stancii. – Novaya Vilga : Izdatel'skiy dom «PIN», 2015. – S. 121–126.

10. Stepanova G.V. Sort lyucerny izmenchivoy Taisiya // Adaptivnoe kormoproizvodstvo. – 2020. – № 2. – S. 21–32. (DOI: 10.33814/AFP-2222-5366-2020-2-21-32).

11. Kozyreva Z.Yu., Dzarahohov A.V. Rost i razvitie rasteniy lyucerny v zavisimosti ot aktivnosti shtamma rizobiy // Vestnik nauchnyh trudov molodyh uchenyh, aspirantov i magistrantov FGBOU VO «Gorskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet» : sb. statey. – Vladikavkaz, 2021. – S. 5–8.

12. Rayonirovannye i perspektivnye sorta kormovyh kul'tur selekcii Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta kormov imeni V.R. Vil'yamsa. Katalog. – M., 2006. – 66 s.

13. Metodicheskie ukazaniya po selekcii mnogoletnih trav / VNII kormov. – M., 1985. –190 s.

14. Selekciya lyucerny na povyshenie effektivnosti simbioza s kluben'kovymi bakteriyami. Metodicheskie rekomendacii / VNIISHM. – SPb., 1990. – 50 s.

15. Stepanova G.V. Vliyanie predposevnoy inokulyacii semyan bakterial'nymi preparatami na adaptivnuyu sposobnost' lyucerny // Obrazovanie, nauka i proizvodstvo. – 2015. – № 3 (12). – S. 87–91.