Введение. Сельскохозяйственные культуры в течение вегетационного периода постоянно испытывают действие стрессов различной природы [1]. Один из наиболее распространенных стрессов в мире – засуха, для региона Поволжья достаточно частое явление – почвенная засуха [2, 3, 4]. Уровень устойчивости растений к этому неблагоприятному фактору среды может зависеть от различных причин, начиная с комплекса защитных механизмов самих растений и заканчивая интенсивностью и продолжительностью воздействия стресса [5, 6, 7]. Определенные вклад в стрессоустойчивость культур может вносить обработка семян и надземной части растений полезными рост-стимулирующими бактериями (PGPB – plant growth-promoting bacteria) [8]. Многочисленные положительные свойства использования эндофитных бактерий – обширной группы непатогенных микроорганизмов, обитающих внутри растений – показаны в работах исследователей по всему миру [9, 10, 11]. Преимуществом применения конкретно этих бактерий в растениеводстве считают их способность проникать непосредственно в ткани растений, корректируя своими метаболитами их рост и развитие, защиту от болезней и стрессов, что в конечном итоге приводит к повышению продуктивности [12]. Поэтому количество зарегистрированных и разрешенных к применению на территории РФ препаратов на основе таких «полезных» микроорганизмов ежегодно увеличивается [13]. Однако большинство препаратов представлено биологическими фунгицидами, которые применяют для борьбы с фитопатогенными грибами [14, 15]. В то же время механизмы протекторного действия эндофитных бактерий на растения в условиях стрессов абиотической природы полностью не расшифрованы, а сведений для комплексного анализа физиолого-биохимических маркеров положительного влияния эндофитных бактерий на различные группы растений при дефиците влаги в почве недостаточно [16].
Цель исследования – выявление особенностей ответа проростков яровой пшеницы и сои на обработку семян эндофитными бактериями рода Bacillus при почвенной засухе и выделение биохимических маркеров их позитивного действия на растения.
Условия, материалы и методы. Поскольку большинство изолированных нами из семян и корней ярового ячменя и пшеницы местной (ФГБУН ФИЦ «Казанский научный центр Российской академии наук») и зарубежной селекции эндофитных бактерий относились к роду Bacillus, в работе рассматривали штаммы этого таксона – B. subtilis KS-55 AU, B. cereus KS-56 AU, B. pumilus KS-57 AU, B. megaterium KS-58 AU, B. cereus KS-59 AU, B. megaterium KS-60 AU и B. pumilus KS-61 AU.
На начальном этапе изучали влияние разного титра клеток бактерий на рост корней однодольных (яровая пшеница сорта Йолдыз) и двудольных (соя сорта Султана) культур. Для этого подсчитывали количество клеток микроорганизмов в инокуляте с использованием камеры Горяева. Затем семена обрабатывали 75 %-ным этанолом, многократно промывали стерильной дистиллированной водой и замачивали на 24 ч в суспензии бактериальных клеток с титром 1×105 клеток/мл (кл./мл), 1×106 кл./мл и 1×107 кл./мл. В контрольном варианте семена обрабатывали стерильной водопроводной водой. В качестве биологического (положительного) контроля был выбран эндофит Bacillus mojavensis PS17, выделенный из семян пшеницы [17]. Длину корней учитывали через 3 суток.
После определения рост-стимулирующего титра клеток моделировали условия почвенной засухи для выявления протекторного действия эндофитов рода Bacillus на растения при дефиците влаги. Семена яровой пшеницы сорта Йолдыз в количестве 20 шт. и сои сорта Султана в количестве 10 шт. высевали в вегетационные сосуды объемом 5 л (повторность трехкратная), заполненные стерильным кварцевым песком, увлажняли питательным растительным раствором PNS (plants nutrient solution) [18] и проращивали в течение 14-и суток в климатической камере HPP 750 Memmet (Германия) при световом периоде 16 ч и температуре +23 ºС. Влажность субстрата поддерживали весовым методом на уровне 30 % от полной влагоемкости (ПВ). В ходе опыта фиксировали всхожесть семян, длину надземной части и корневой системы. Об уровне стрессоустойчивости растений судили по накоплению продукта перекисного окисления липидов (ПОЛ) – малонового диальдегида (МДА) [19]. Помимо этого, определяли содержание свободного пролина с использованием кислого нингидринового реактива [20] и экстрагировали фотосинтетические пигменты (хлорофилл a и b) 96 %-ным этиловым спиртом [21]. Оптическую плотность растворов определяли на планшетном спектрофотометре SpectroStar nano.
Закладку экспериментов и измерения осуществляли в нескольких (не менее трёх) биологических и аналитических повторностях. Результаты обрабатывали в программе Excel с вычислением среднего значения и стандартного отклонения. Для выявления значимых различий между контрольным и испытываемыми вариантами использовали t-критерий Стьюдента (различия оценивали при уровне значимости р<0,05).
Результаты и обсуждение. На начальном этапе все изучаемые штаммы эндофитных бактерий продемонстрировали стимулирующую активность на проростках высших растений. Наибольшее увеличение длины корней сои (на 0,6 см), относительно контроля, отмечали в вариантах с B. subtilis KS-55 AU и B. megaterium KS-60 AU (табл. 1). На проростках яровой пшеницы наибольшую прибавку (0,4 см) отмечали в вариантах с B. cereus KS-56 AU, B. cereus KS-59 AU и B. pumilus KS-61 AU (табл. 2).
Таблица 1 – Влияние разного титра клеток эндофитных бактерий на длину корней сои, см
|
Вариант |
Титр бактериальной суспензии, кл./мл |
||
|
1×105 |
1×106 |
1×107 |
|
|
Контроль |
1,6±0,1 |
||
|
KS-55 AU |
1,6±0,1 |
2,2±0,2* |
1,8±0,2 |
|
KS-56 AU |
1,6±0,2 |
2,0±0,2* |
1,8±0,1 |
|
KS-57 AU |
1,6±0,1 |
1,7±0,2 |
1,8±0,1 |
|
KS-58 AU |
1,7±0,2 |
1,7±0,1 |
1,8±0,1 |
|
KS-59 AU |
1,7±0,2 |
2,1±0,1* |
2,0±0,1* |
|
KS-60 AU |
1,8±0,1 |
2,2±0,1* |
2,0±0,2* |
|
KS-61 AU |
1,6±0,2 |
1,9±0,1* |
1,6±0,3 |
|
PS17 |
2,0±0,1* |
2,1±0,3* |
1,6±0,1 |
*(здесь и в табл. 2) различия между контрольным и испытываемыми вариантами достоверны при уровне значимости р<0,05.
Таблица 2 – Влияние разного титра клеток эндофитных бактерий на длину корней яровой пшеницы, см
|
Вариант |
Титр бактериальной суспензии, кл./мл |
||
|
1×105 |
1×106 |
1×107 |
|
|
Контроль |
3,5±01 |
||
|
KS-55 AU |
3,5±0,2 |
3,8±0,1* |
3,6±0,1 |
|
KS-56 AU |
3,6±0,2 |
3,9±0,1* |
3,6±0,1 |
|
KS-57 AU |
3,5±0,1 |
3,5±0,2 |
3,8±0,1* |
|
KS-58 AU |
3,5±0,1 |
3,7±0,2 |
3,5±0,1 |
|
KS-59 AU |
3,5±0,2 |
3,9±0,1* |
3,8±0,2 |
|
KS-60 AU |
3,6±0,1 |
3,7±0,1 |
3,6±0,1 |
|
KS-61 AU |
3,5±0,1 |
3,9±0,2* |
3,5±0,1 |
|
PS17 |
3,5±0,2 |
3,8±0,1* |
3,7±0,1 |
Строгой корреляции между увеличением титра клеток бактерий и изменением длины корней не наблюдали. Но при использовании всех исследуемых штаммов бактерий, кроме B. pumilus KS-57 AU и B. megaterium KS-58 AU, наилучший стимулирующий эффект отмечали при титре 1×106 кл./мл. Поэтому для дальнейшего изучения влияния эндофитов рода Bacillus на засухоустойчивость растений семена обрабатывали инокулятом в концентрации 1×106 кл./мл.
В условиях моделируемой почвенной засухи предпосевная обработка эндофитными бактериями способствовала сохранению всхожести семян у яровой пшеницы на уровне 80…100 % (исключая обработку штаммом B. megaterium KS-60 AU), у сои – 70…100 % (кроме штаммов B. pumilus KS-57 AU и B. megaterium KS-58 AU). Тогда как без их использования величины этих показателей составляли соответственно 70 % и 60 % (табл. 3). Вероятно, благодаря бактериальной колонизации поверхности, семена получают преимущества при прорастании в неблагоприятных условиях.
Таблица 3 – Всхожесть семян яровой пшеницы и сои в условиях 30 % почвенной засухи, %
|
Вариант |
Всхожесть семян, % |
|
|
яровая пшеница |
соя |
|
|
Контроль |
70 |
60 |
|
KS-55 AU |
100 |
100 |
|
KS-56 AU |
100 |
70 |
|
KS-57 AU |
100 |
60 |
|
KS-58 AU |
80 |
60 |
|
KS-59 AU |
100 |
80 |
|
KS-60 AU |
70 |
70 |
|
KS-61 AU |
100 |
80 |
|
PS17 |
90 |
100 |
Кроме всхожести, в вариантах с яровой пшеницей, обработанных штаммами B. subtilis KS-55 AU, B. cereus KS-59 AU и B. pumilus KS-61 AU, зафиксирован наибольший прирост корня – на 23 мм, на 20 мм и на 16 мм соответственно, относительно контрольного варианта. Похожую тенденцию наблюдали по длине стебля. После обработки B. subtilis KS-55 AU у яровой пшеницы она увеличивалась, по сравнению с контролем, на 17 мм, B. megaterium KS-58 – на 10 мм, B. cereus KS-59 AU – на 12 мм, B. pumilus KS-61 AU – на 24 мм (рис. 1).
Рис. 1 – Длина проростков яровой пшеницы в условиях 30 % почвенной засухи.
*(здесь и на рис. 2) различия между контрольным и испытываемыми вариантами достоверны при уровне значимости р<0,05.
Практически аналогичную картину отмечали на проростках сои. Длина корня после обработки штаммами B. subtilis KS-55 AU увеличивалась на 29 мм, B. cereus KS-59 AU – на 13 мм, B. pumilus KS-61 AU – на 35 мм. Длина стебля в варианте со штаммом B. subtilis KS-55 AU возрастала на 19 мм, B. pumilus KS-57 AU – на 14 мм, B. cereus KS-59 AU – на 15 мм, B. pumilus KS-61 AU – на 2 мм (рис. 2).
Рис. 2 – Длина проростков сои в условиях 30 % почвенной засухи.
Такие ответные реакции, в частности со стороны корневых систем, на инокуляцию бактериями рода Bacillus могут быть связаны с синтезом индолил-3-уксусной кислоты (ИУК). Так, по данным О. В. Ласточкиной [22], в условиях засухи B. subtilis 104 стимулировал процессы образования и роста корней пшеницы благодаря индукции этого гормона ауксинового ряда.
Очевидно, что при засухе происходит нарушение нормального течения физиологических, биохимических процессов внутри растений. Одно из них – перекисное окисление липидов (ПОЛ) клеточных мембран, вызываемое избыточным количеством активных форм кислорода (АФК) [23]. Важным признаком их повреждения считают накопление малонового диальдегида (МДА).
Содержание МДА в листьях опытных вариантов со штаммами, по сравнению с контролем, снижалось (табл. 4, табл. 5). При обработке пшеницы самое значительное уменьшение величины этого показателя (на 46 %), которое свидетельствует о лучшей целостности мембран при засухе, отмечено в варианте со штаммом B. subtilis KS-55 AU, при обработке сои (на 47 %) – со штаммом B. cereus KS-59 AU.
Таблица 4 – Влияние эндофитных бактерий на содержание МДА, свободного пролина и количество фотосинтетических пигментов в яровой пшенице в условиях 30 % почвенной засухи
|
Вариант |
Содержание МДА ммоль/г сырой массы |
Пролин, мг/г сырой массы |
Хлорофилл а и б, мг/г сырой массы |
|
Контроль |
18,81±0,04 |
33,21±0,03 |
1,464±0,002 |
|
KS-55 AU |
10,22±0,02* |
82,49±0,07* |
1,550±0,003* |
|
KS-56 AU |
16,37±0,04* |
38,53±0,07* |
1,465±0,010 |
|
KS-57 AU |
14,48±0,02* |
37,32±0,08* |
1,466±0,007 |
|
KS-58 AU |
17,15±0,03* |
40,94±0,02* |
1,469±0,009 |
|
KS-59 AU |
13,70±0,01* |
50,94±0,05* |
1,540±0,002* |
|
KS-60 AU |
17,57±0,04* |
34,66±0,02* |
1,452±0,007* |
|
KS-61 AU |
15,54±0,02* |
49,49±0,02* |
1,507±0,003* |
|
PS17 |
14,36±0,01* |
95,05±0,08* |
1,746±0,004* |
Таблица 5 – Влияние эндофитных бактерий на содержание МДА, свободного пролина и количество фотосинтетических пигментов в сое в условиях 30 % почвенной засухи
|
Вариант |
Содержание МДА, ммоль/г сырой массы |
Пролин, мг/г сырой массы |
Хлорофилл а и б, мг/г сырой массы |
|
Контроль |
33,33±0,17 |
34,90±0,06 |
0,187±0,002 |
|
KS-55 AU |
20,83±0,01* |
55,43±0,02* |
0,444±0,003* |
|
KS-56 AU |
26,67±0,03* |
35,46±0,04 |
0,189±0,005 |
|
KS-57 AU |
24,23±0,05* |
34,90±0,03 |
0,188±0,005 |
|
KS-58 AU |
33,32±0,18 |
39,73±0,02* |
0,285±0,007* |
|
KS-59 AU |
17,81±0,02* |
60,51±0,01* |
0,410±0,004* |
|
KS-60 AU |
30,54±0,02* |
35,01±0,05 |
0,189±0,001 |
|
KS-61 AU |
24,00±0,03* |
49,49±0,03* |
0,451±0,001* |
|
PS17 |
22,65±0,01* |
53,74±0,02 |
0,301±0,002 |
На стабильность метаболизма растений и целостность мембран может также оказывать влияние свободный пролин, накопление которого увеличивается при стрессах [24]. В наших экспериментах в проростках пшеницы и сои, обработанных перед посадкой штаммами B. subtilis KS-55 AU, B.cereus KS-59 AU и B. pumilus KS-61 AU, этот низкомолекулярный антиоксидант аккумулировался сильнее всего (см. табл. 4, табл. 5). Содержание пролина в тканях пшеницы при обработке штаммом B. subtilis KS-55 AU возрастало, относительно контроля, на 148 % в проростках сое в варианте с B.cereus KS-59 AU – на 73 %. Ранее в работе Han Q-Q. Было показано, что при использовании PGPB в растениях кукурузы происходило накопление пролина, благодаря которому повышалось относительное содержание воды в клетках [25].
В листьях, обработанных эндофитами растений, увеличивалось содержание фотосинтетических пигментов (хлорофилла a и b), что свидетельствует об уменьшении отрицательного влияния дефицита влаги на их синтетический аппарат (см. табл. 4, табл. 5). Необходимо отметить, что максимальное повышение концентрации пигментов (на 6 %) в листьях пшеницы отмечено при обработке штаммом B. subtilis KS-55 AU. В листьях сои содержание суммарного хлорофилла a и b сильнее всего (на 141 %) возрастало при обработке B. pumilus KS-61. Аналогичное увеличение количества фотосинтетических пигментов при обработке биологическими препаратами наблюдали Мартынов А. А. и соавт. [26]. В работе Аллагуловой Ч. Р. [27] были зафиксированы увеличение концентрации фотосинтических пигментов и снижение содержания МДА при солевом стрессе у растений, обработанных бактериями B. subtilis GB03.
Выводы. Предпосевная обработка семян однодольных (яровая пшеница сорта Йолдыз) и двудольных (соя сорта Султана) растений эндофитными бактериями рода Bacillus стимулирует рост и стрессоустойчивость культур. Корреляции между используемым титром клеток бактерий и изменением длины корней не обнаружено, но наиболее близкой к оптимальной рост-стимулирующей концентрацией бактерий для обработки семян была 1×106 клеток в 1 мл препарата (длина корня сои увеличивалась на 0,6 см, пшеницы – 0,4 см).
В условиях вегетационных опытов отмечено положительное влияние бактерий, в особенности штаммов Bacillus subtilis KS-55 AU, Bacillus cereus KS-59 AU и Bacillus pumilus KS-61 AU, на устойчивость однодольных и двудольных культур к условиям почвенной засухи и выявлены биохимические маркеры позитивного действия. Происходило достоверное снижение уровня перекисного окисления липидов, интегрального показателя устойчивости мембран при стрессах, у пшеницы на 46 %, у сои – на 47 %. В обработанных вариантах отмечали накопление одного из важнейших осмопротекторов – свободного пролина: у пшеницы – на 148 %, у сои – на 73 %. Концентрация фотосинтетических пигментов (хлорофилла а и б) у пшеницы возрастала на 6 %, у сои – на 141 %, что указывает на сохранение стабильности фотосинтетического аппарата в листьях при засухе. После предпосевной обработки семян яровой пшеницы сорта Йолдыз эндофитными микроорганизмами число взошедших семян увеличилось на 30 %, сои сорта Султана – на 40 %.



