Зменшення водного стресу та стимулювання розвитку цукрових буряків за допомогою ризобактерій (частина 3)

 

За матеріалами статті в галузі прикладної екології та екологічних досліджень на тему «Зменшення водного стресу та стимулювання росту цукрових буряків (Beta vulgaris L.) ризобактеріями» («Alleviation of water stress and promotion of the growth of sugar beet (Beta vulgaris L.) plants by multi-traits rhizobacteria») (листопад 2018).

Таблиця 3. Вплив мінеральних добрив та ризобактерій, які стимулюють ріст рослин, на вміст макро- та мікроелементів живлення в листі цукрових буряків у першому досліджуваному зразку в середньому при п'яти водних режимах

  Макроелемент (г кг-1 DW) Мікроелемен (мг кг-1 DW)
  N P K Ca Mg Na Fe Cu Mn Zn

Контроль

Азотно-фосфорні добрива

RC9

T26

RC05

RC11

RC21

RC310

PF8/6

BS63

A21/3

Середнє значення

21,4 g

23,5 ef

22,9 fg

23,1 f

23,9 d-f

24,1 c-f

25,6 bc

27,7 a

25,2 b-d

26,7 ab

25,0 c-e

24,5

2,95 b

3,08 ab

3,18 a

3,16 a

3,10 ab

3,20 a

3,26 a

3,21 a

3,18 a

3,20 a

3,24 a

3,16

20,92 e

22,30 de

23,10 cd

23,26 b-d

23,71 a-d

23,88 a-d

23,39 a-d

24,98 a

22,97 cd

24,74 ab

23,95 a-c

23,38

8,58 c

8,88 bc

9,09 ab

9,34 ab

9,34 ab

9,31 ab

9,49 a

9,41 a

9,43 a

9,46 a

9,46 a

9,25

3,58 c

3,70 bc

3,91 ab

3,80 a-c

3,84 ab

3,87 ab

3,99 a

3,91 ab

3,77 a-c

3,83 a-c

3,98 a

3,70

1672 b-c

1696 a-c

1760 ab

1711 a-c

1616 cd

1713 a-c

1804 a

1544 d

1678 bc

1511 d

1543 d

1659

142 a

137 a-c

128 cd

134 a-d

132 b-d

137 a-c

127 d

138 ab

139 ab

132 b-d

132 b-d

134

31,8 a

28,7 bc

28,2 bc

28,2 bc

28,6 bc

27,4 c

28,7 bc

28,6 bc

28,9 bc

28,4 bc

29,3 b

29,0

45,6 f

45,6 f

51,5 cd

48,1 ef

56,5 a

47,9 ef

50,4 de

52,4 b-d

55,1 ab

54,2 a-c

46,7 f

50,4

31,5 g

33,9 f

37,7 e

38,6 de

39,9 cd

44,5 b

41,8 c

38,6 de

48,2 a

45,4 b

47,6 a

40,7

*DW — суха маса.

У середньому, при п’яти водних режимах найвища активність глутатіонредуктази виявилася при інокуляціях RC05, RC11, RC63 та внесенні мінеральних добрив, тоді як найвища активність глутатіон-S-трансферази виявилася завдяки PF8/6 та T26. Під впливом стресу від перезволоження активність глутатіонредуктази помітно збільшилася завдяки штамам бактерій RC21, RC9 та RC11, тоді як активність глюкозо-6-фосфатдегідрогенази та 6-фосфатоглюконатдегідрогенази збільшилася в результаті інокуляцій RC21, RC9 та RC63. Під постійним помірним та сильним водним стресом максимальну активність глутатіонредуктази в листі цукрових буряків було виявлено після інокуляцій RC63, A21/3, RC11, RC05 та 28/3, тоді як найвищі рівні активності глутатіон-S-трансферази було отримано при інокуляції PF8/6, T26 та RC9. Більше того, під впливом цих стресів активність глюкозо-6-фосфатдегідрогенази збільшилася після інокуляції RC310, RC05, RC21 та RC63, а активність 6-фосфатоглюконатдегідрогенази в листі буряків збільшилася завдяки ризобактеріям PF8/6, RC310, RC63 та RC05. Загалом, під впливом водного стресу було виявлено значне збільшення ферментативної активності як в інокульованих, так і в неінокульованих зразках буряків. Крім того, активність ферментів в неінокульованих рослинах виявилася меншою, порівняно з інокульованими рослинами (Графік 2).

У той час, як вміст малондіальдегіду (MDA) та H2O2 зменшились, ріст цукрових буряків, маса кореня та листя, вміст цукру та хлорофілу збільшилися. Дефіцит води збільшив показники стресу, викликаного посухою (MDA та H2O2), що показало ступінь окислювальної шкоди, що виникає під час стресу. У всіх досліджуваних зразках рівень MDA та H2O2 збільшилися через водний стрес. Крім того, під час боротьби з посухою у всіх зразках буряків показано, що H2O2 та MDA збільшилися, тоді як штами бактерій (RC310, RC63, RC26, RC11 і RC05) зменшили вміст MDA та H2O2 у листі (Графік 3).

Обговорення результатів

Одним із факторів, які негативно впливають на ріст та розвиток рослин, безумовно, є дефіцит води. Але, стрес, викликаний посухою, також може виникати в умовах зрошення, коли кількість зрошувальної води обмежена. Цукровий буряк вважається посухостійкою рослиною, яка має здатність витримувати тривалі періоди посухи та відновлюватися відразу після поповнення вологи. Обмеження води спричиняє значні втрати врожаю, а найбільший його вплив відчувають молоді рослини, які страждають від посухи. Коли в ранній період розвитку цукрових буряків виникає тимчасовий водний стрес, можна сказати, що це значно знижує їх врожайність. Дійсно, коли молоді рослини цукрових буряків піддавалися впливу водного стресу, було виявлено, що вихід цукру, швидкість процесів фотосинтезу та асиміляції сильно зменшилися, а в коренеплоді відбулися значні зміни. Активність бактерій виявилася вищою, порівняно з буряками, зібраними у ранній період. Водяний стрес на стадії росту та розвитку цукрових буряків також може викликати скорочення їх врожайності. В умовах посухи зменшення маси кореня буряка значно притупилося, але це було викликано інокульованими бактеріями та зрошенням.

Інокуляції бактерій та внесення добрив збільшили свіжу та суху масу листя, а також вміст цукру в рослинах. Як правило, різні ризобактерії, які стимулюють ріст рослин, по-різному реагують при різних рівнях зрошення. Той факт, що інокуляції бактерій стимулювали ріст листя цукрових буряків, лише підтвердив результати попередніх досліджень. Аналогічно, розвиток коренеплоду й листя буряка та його врожайність знижувалися під впливом обмежень зрошувальної води та стресу, викликаного посухою.

Графік 2. Вплив ризобактерій, які стимулюють ріст рослин, та мінеральних добрив на активність антиоксидантів (глутатіонредуктази та глутатіон-S-трансферази) та ферментів пентазофосфатного оксидативного циклу (глюкого-6-фосфатдегідрогенази та 6-фосфатоглюконатдегідрогенази) у листі цукрових буряків у другому досліджуваному зразку

Графік 3. Вплив ризобактерій, які стимулюють ріст рослин, та мінеральних добрив на вміст малондіальдегіду (MDA) та перекису водню (H2O2) у листі цукрових буряків у першому (65 днів) та другому (130 днів) досліджуваному зразку в середньому при п’яти водних режимах

При недостатньому водопостачанні концентрація цукру в рослинах була більшою, ніж під час зрошення оптимальною кількістю води. Але, незважаючи на це, кількість цукру на одну рослину під впливом водного стресу все рівно зменшується, порівняно з оптимальними умовами зрошення. Посуха може збільшувати вміст цукру в буряках, але зменшувати врожайність, розвиток листя та вихід цукру та, очевидно, є основною причиною втрат «солодкого» врожаю. Так само концентрація цукру збільшувалася зі зменшенням доступності зрошувальної води. Результати досліджень показали, що водний стрес зменшив вегетативний розвиток та свіжу масу буряка, збільшивши відсоток цукру в корені. Хоча основний чинник, що обмежує вихід цукру під впливом посухи, чутливість та реакція цукрових буряків на обмеження зрошувальної води ще недостатньо вивчені та потребують додаткових досліджень. Інокуляції бактерій мінімізували наслідки впливу водного стресу, що помітно збільшило кількість цукру на рослину, але цей ефект змінювався залежно від інокульованих бактерій та рівнів зрошення.

Зниження вмісту води через посуху може зменшити поглинання живильних елементів із ґрунту, тоді як застосування ризобактерій, які стимулюють ріст рослин, збільшувало засвоєння N, P, K, Ca, Mg, Mn і Zn цукровими буряками. Тобто, використання ризобактерій зменшує негативний вплив обмежень зрошувальної води на вміст макро- та мікроелементів у листі. Серед бактеріальних штамів було виявлено, що штами RC310, які демонструють кращі показники в умовах сильного водного стресу (25% WHC), викликали найвищий вміст K у листі цукрових буряків, що добре співвідноситься зі збільшенням кількості цукру на рослину, масою кореня та листя (Таблиця 2 та 3, Графік 1). Як повідомляється, у випадку водного стресу нормалізація поглинання K може забезпечити перевагу рослин перед негативним впливом стресу на їх ріст та врожайність. В умовах посухи збільшення засвоєння живильних речовин буряками може підвищити ефективність використання води та зменшити вплив посухи на ріст рослин. Дійсно, якщо засвоєння живильних речовин можна збільшити за допомогою активних бактерій, таким чином це стимулюватиме й розвиток рослин.

Альтернативний підхід до посилення стійкості рослин проти стресу полягає у збільшенні антиоксидантних ферментів рослини за допомогою бактерій. Проведені дослідження показують, що ризобактерії, які стимулюють ріст рослин, можуть збільшувати активність глутатіонредуктази, глутатіон-S-трансферази, 6-фосфатоглюконатдегідрогенази, глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, а також розвиток цукрових буряків, аналогічно до пшениці та шпинату. Дослідження чітко продемонстрували, що в умовах посухи деякі ефективні бактеріальні штами можуть стимулювати розвиток рослин разом з антиоксидантними та окислювальними пентозофосфатними ферментами в цукрових буряках. Якщо активність рослинних антиоксидантів можна збільшити, використовуючи бактерії, то стійкість рослин до стресових умов цілком можливо збільшити за допомогою стимулювання розвитку рослин. Доведено, що інокуляції ризобактерій, які стимулюють ріст рослин, зменшують негативний вплив водного стресу. Більше того, цукровий буряк може частково витримувати водний стрес, захищаючи себе від окислювальної шкоди завдяки збільшенню активності ферментів у листі за допомогою бактерій.

Із-поміж бактеріальних інокуляцій, штами бактерій RC310 та RC63, які мають високий вміст 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат деамінази, демонструють кращі показники в умовах помірних та сильних водних стресових ситуацій, що добре корелює зі збільшенням як свіжої, так і сухої маси листя та кореня буряка (Таблиця 2), активністю ферментів 6-фосфатоглюконатдегідрогенази та глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, а також зі зменшенням вмісту H2O2 та малондіальдегіду (Графік 3), тим самим захищаючи рослину від водного стресу, порівняно з іншими видами бактерій та контролем. Збільшуючи калій та азот за рахунок високої фіксації N2, солюбілізації фосфору та підтримуючи процес фотосинтезу в листі цукрових буряків під час посухи, бактерії, які містять 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат деаміназу, можуть зменшити перекисне окислення ліпідів, тим самим підвищивши активність антиоксидантних ферментів та зменшивши вміст малондіальдегіду. Тому бактерії стимулюють засвоєння живильних речовин із ґрунту, захищають від шкідників та хвороб, а також забезпечують захист рослин під час водного стресу та посухи.

 У даному дослідженні посуха викликала значне зниження маси листя та кореня буряка. Але інокуляції ризобактерій можуть забезпечити розвиток листя, уповільнений обмеженням води, та обмежити зменшення його маси при внесенні мінеральних добрив. Позитивний вплив цих штамів на суху та свіжу масу кореня та листя буряка, вміст хлорофілу, активність ферментів та поглинання поживних речовин показав ефективність ризобактерій, що може бути пов’язано з вмістом гетероауксину, фіксацією N2, солюбілізацією фосфору, активністю 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат деамінази або, навіть, з іншими особливостями ризобактерій, які стимулювали ріст рослин. Існує багато наукових даних про те, що бактерії можуть забезпечувати ефективний захист рослин від різних стресів, оскільки вони продукують гетероауксин та 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат деаміназу. Інокуляції гетероауксин-продукуючих, N2-фіксуючих та/або P-солюбілізуючих бактерії стимулюють розвиток цукрових буряків, збільшують їх урожайність та вихід цукру. Дослідження ризобактерій, які виявляють численні ознаки, що стимулюють ріст рослин, підтверджують те, що вони мають кращий потенціал у зменшенні впливу водного стресу та в покращенні росту цукрових буряків.

Висновки

Внаслідок надмірного зрошення відбувається засолення ґрунту, опустелення, втрати ґрунту внаслідок ерозії зі збільшенням витрат. Крім того, збільшується важливість програм, які забезпечують максимальне виробництво на одиницю зрошувальної води при обмеженні водних ресурсів та при обмеженні зрошення з метою зменшення можливого скорочення виробництва. Ризобактерії, які стимулюють ріст рослин, збільшують поглинання живильних речовин (макро- та мікроелементів) із ґрунту. Ефективні бактеріальні штами можуть зменшувати поглинання хімічних добрив та негативний вплив водного стресу, а також можуть використовуватися у якості біодобрива в органічному виробництві цукрових буряків. Через недостатнє зрошення та високу вартість води в посушливих та напівпосушливих регіонах інокуляції ризобактерій, які містять 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат деаміназу, можна використовувати для запобігання зменшення врожайності. Ризобактерії стимулюють ріст і розвиток рослин, знижують їх чутливість до стресів і можуть стати поштовхом до застосування біотехнологій в сільському господарстві. Як результат, бактеріальні штами RC310 та PF8/6, які використовувалися в даному дослідженні, та інші бактерії можуть використовуватися в органічному виробництві цукрових буряків та в районах з обмеженими водними ресурсами.


1538