Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 498, № 1, стр. 275-278

Накоплен большой материал [1–4] по мониторингу почвенных микроорганизмов, влияющих на урожайность, стимулирование роста и развитие растений, а также на повышение их адаптационных способностей.

Считается, что во многих случаях это связано с образованием значительной частью микроорганизмов многочисленных физиологически активных веществ (ауксинов, гиббереллинов, цитокининов и т.д.), которые поступают в корни растений, стимулируя их рост и повышая качество урожая [5].

В частности, есть данные [6], что с воздушных корней эпифитных оранжерейных орхидей Dendrobium moschatum выделены культивируемые бактерии из филума Actinobacteria, которые образовывали ауксины. Некоторые наиболее активные продуценты увеличивали всхожесть семян и стимулировали прорастание и развитие проростков не только D. moschatum, но и других видов растений.

Однако это не единственный возможный механизм стимуляции прорастания семян и развития растений микроорганизмами.

Хорошо известно явление аллелотоксического почвоутомления, которое обусловлено накоплением в почве аллелотоксинов из-за ее высокой сорбционной способности [7–11]. Они выделяются растениями для борьбы с конкурентами, а также в качестве сигнальных веществ для предупреждения о возникшей экологической опасности или для торможения своих биохимических процессов, чтобы возникшие негативные экологические факторы нанесли растениям минимальный урон [7, 9, 10]. Установлено, что действие любых негативных факторов, возникающих в процессе вегетации, приводит к усилению выработки растениями аллелотоксинов, выделению их в окружающую среду и повышению аллелотоксичности почв [9]. Наряду с этим также отмечено, что аллелотоксины способны выполнять функции сигнальных молекул [12]. Токсичные вещества вырабатываются микроорганизмами при борьбе с конкурентами за ресурсы, в качестве побочных продуктов метаболизма или фитопатогенами для ослабления иммунитета растений [7, 9, 11]. Кроме того, аллелотоксины выделяются из самих растительных остатков при их разложении в почвах [7–10].

Эти вещества угнетают развитие растений особенно на начальных этапах роста. Выдвигалось предположение о том, что почвенные микроорганизмы могут использовать аллелотоксины в качестве источников углерода и снижение численности микроорганизмов приводит к замедлению освобождения почвы от аллелотоксинов [13]. В частности, было показано, что стерилизация почвы сильно замедляет ее освобождение от аллелотоксинов [13]. Эти свидетельствует о том, что наряду с изменением активности аллелотоксинов из-за их закрепления в почвах, возможно разложение аллелотоксинов микроорганизмами почв. Такой механизм стимуляции развития растений может быть альтернативой ускорению их роста веществами-стимуляторами.

Целью нашей работы являлось изучение природы влияния бактеризации семян пшеницы водной суспензией мицелиальных актинобактерий.

Исследования проводили на семенах яровой пшеницы (Triticum) урожая 2018 г. сорта “Лиза”.

Проращивали семена в образцах дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы из окрестностей поймы р. Яхрома, Московская область, и в отмытом речном песке с частицами 0.5–0.8 мм.

Предпосевную обработку семян суспензией актиномицетов проводили полусухим способом при расходе 40 л суспензии на тонну семян.

В работе использовали чистые культуры мицелиальных актинобактерий рода Streptomyces, которые были выделены из различных местообитаний: из ассоциаций с почвенными беспозвоночными животными (навозного червя Eisenia fetida и многоножек – серого кивсяка Cilindroiulus caeruleocinctus и крымского кивсяка Pachyiulus flavipes); тропических почв заповедных зон Вьетнама; сапропеля и почвы, загрязненной нефтью. Актинобактерии поддерживали на среде Гаузе I (минеральный агар I) (г/л) [14]: K₂HPO₄ – 0.5; MgSO₄ – 0.5; KNO₃ – 1; NaCl – 0.5; FeSO₄ – следы; крахмал – 20; pH 7.2–7.4.

Для получения моноспоровой суспензии культуры засевали газоном на чашки Петри, инкубировали при 28°C в течение 10 сут. После этого в стерильных условиях скальпелем собирали материал с поверхности агара в колбу со стерильной дистиллированной водой. Полученную взвесь одиночных спор, споровых конгломератов и обрывков вегетативного мицелия обрабатывали на низкочастотном ультразвуковом диспергаторе УЗДН – 1 (30–60 сек 22 кГц 0.44 А). Затем эту суспензию фильтровали через слой стерильной хирургической ваты в стерильную колбу и отмывали от среды стерильной дистиллированной водой центрифугированием (5000 об/мин 10 мин 5 раз). Микроскопический контроль за распределением спор в суспензии проводили в камере Горяева. Семена пшеницы обрабатывали суспензией, содержащей 10⁷–10⁸ клеток в 1 мл.

Для повышения воспроизводимости получаемых данных изучали изменение интегральной длины проростков 7.5 г семян (~200 шт), которую определяли, используя экспресс-метод, основанный на существовании линейной зависимости между насыпным объемом проросших семян в воде и длиной их проростков [15].

Опыт проводили в шестикратной повторности с последующей статистической обработкой результатов. В связи с использованием в одном опыте 1000–1200 семян удавалось минимизировать ошибку, связанную с разнокачественностью семян до 7%.

На начальном этапе работы было проведено изучение влияния обработки семян пшеницы суспензией актиномицетов на скорость прорастания и развития растений в почвах. Установлено (табл. 1), что из 18 проверенных, 4 штамма (a 3, ep/28, ep/21, L/28) заметно увеличивали скорость прорастания семян пшеницы и развития из них растений.

Для выяснения возможности влияния на развитие семян микробных веществ-стимуляторов был проведен посев обработанных семян в песок. При выделении актиномицетами биологически-активных веществ на песке должна была бы наблюдаться стимуляция прорастания семян и развития их проростков, сопоставимая с той, что наблюдалась для почв. Однако ускорения прорастания семян не наблюдалось. Это свидетельствует о том, что механизм положительного влияния исследованных штаммов актиномицетов (штаммы a 3, ep/28, ep/21, L/28) основан не на выделении биологически-активных веществ, стимулирующих прорастание семян, а на использовании аллелотоксинов в качестве источников углерода.

Для дополнительной проверки способности изученных видов актиномицетов ускорять развитие семян пшеницы за счет снижения концентрации в почве аллелотоксинов были проведены эксперименты по изучению способности роста актиномицетов на среде с кумарином – одном из наиболее распространенных аллелотоксинов [6].

Исследуемые штаммы актиномицетов проверяли на способность к росту на среде с кумарином, добавленного в среду, в качестве основного источника питания.

Было установлено, что актиномицеты, стимулирующие развитие семян пшеницы в почвах, хорошо растут на кумарине, в отличие от штаммов, не оказывающих на развитие семян значимого влияния. В качестве примера на фотографиях (рис. 1) приведены результаты активного роста штамма актиномицета L/28 (рис. 1б), стимулирующего прорастание семян пшеницы, и отсутствие роста на среде с кумарином у штамма 51 (рис. 1а).

Рис. 1.

Рост штаммов актиномицетов рода Streptomyces 51 (а) и L/28 (б) на среде с кумарином.

Таким образом, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод, что штаммы актиномицетов, которые стимулируют развитие семян в почвах и хорошо развиваются на аллелотоксинах (кумарине), по-видимому, способны снижать влияние этих соединений на начальную стадию развития растений.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках государственного задания МГУ, часть 2 (тема № 117031410017-4) по Программе Развития МГУ при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды”.