Условия формирования активного бобово-ризобиального симбиоза.

Условия активного бобово-ризобиального симбиоза.В симбиотической фиксации азота воздуха принимают участие макросимбионт – растение и микросимбионт – клубеньковые бактерии рода Rhizobium, которые подразделяют на 11 видов. Каждый вид бактерий приспособлен к одному виду растений или к группе видов растений. Например, соевые ризобии Rhizobium japonicum инфицируют только сою, другие виды клубеньковых бактерий не вступают в симбиоз с соей, Rhizobium lupine инфицируют только люпин, Rhizobium lotus инфицируют лядвенец, а Rhizobium leguminosarum могут вступать в симбиоз с викой посевной и мохнатой, горохом и пелюшкой, кормовыми бобами, чиной и чечевицей. Эта приспособленность вида клубеньковых бактерий к группе видов или определенному виду бобового растения называется специфичностью.

Не все расы (штаммы) одного специфичного вида клубеньковых бактерий могут одинаково успешно проникать в корень растения. Некоторые штаммы отличаются высокой конкурентной способностью и образуют на корнях бобового растения много клубеньков, другие труднее проникают в корень и образуют меньше клубеньков. Следовательно, штамм клубеньковых бактерий должен быть не только специфичным, но и вирулентным.

Некоторые специфичные вирулентные штаммы в симбиозе с растением-хозяином интенсивно фиксируют азот воздуха, у других штаммов фиксация азота протекает медленнее и в меньших объемах. Способность штамма инициировать высокую интенсивность симбиотической азотфиксации называют активностью штамма.

Специфичный вирулентный активный штамм ризобий является первым условием активного симбиоза. Если культуру выращивают в регионе традиционно (например, горох, вику посевную, кормовые бобы) или она встречается в естественных фитоценозах (клевер луговой и ползучий), то в почве имеются спонтанные специфичные штаммы ризобий, которые инфицируют эти культуры. Дополнительная инокуляция в таком случае, как правило, не улучшает образование клубеньков и не увеличивает количество фиксированного азота воздуха. Если же культуру в данном районе возделывают впервые (например, люпин, сою), то в почве нет спонтанных специфичных клубеньковых бактерий, а значит, перед посевом обязательно следует проводить инокуляцию, иначе клубеньки на корнях не образуются, растения не будут использовать азот воздуха, возникнет азотная недостаточность и сформируется низкий урожай. Чаще всего в качестве инокулята используют ризоторфин – клубеньковые бактерии, нанесенные на стерилизованный молотый торф.

Повышенная кислотность почвы – главный фактор, ограничивающий активность симбиоза в Центральном районе Нечерноземной зоны. Установлена устойчивая видовая специфичность реакции симбионтов на изменение рН. Например, лядвенец рогатый удовлетворительно фиксирует азот воздуха (120кг/га) и обеспечивает достаточно высокий сбор сена (6,5т/га) даже при рНсол=4,2. Клевер луговой при той же кислотности фиксирует азота в 9 раз меньше, а люцерна не усваивает азот воздуха. При снижении кислотности до рН=6,5 урожайность лядвенца повысилась в 1,5 раза, клевера лугового – в 4 (с 2,6 до 10,8т/га), люцерны – в 6 раз, белковая продуктивность возросла соответственно в 1,7; 5,5 и 9 раз. Доведение рН почвы до 7,2 снизило азотфиксацию и урожай лядвенца, у клевера эти показатели остались на том же уровне, а у люцерны несколько повысились. Аналогичные данные получены и по другим культурам.

Используя классификацию растений по требованию к рН почвы, можно определить, при какой кислотности почвы определенная культура способна усваивать максимальное количество азота воздуха и обеспечивать наибольшую продуктивность; какую культура рациональнее высевать на данном поле с известной кислотностью; какая культура даст наибольший урожай без затрат на азотные удобрения. Такая классификация дает возможность определить, до какого уровня реакции среды следует известковать почву под каждую культуру, чтобы обеспечить максимальное усвоение азота воздуха и наибольшую белковую продуктивность.

Влажность почвы – третий по важности фактор, определяющий величину и активность симбиотического аппарата. Усвоение азота воздуха при низкой влажности почвы прекращается не вследствие недостатка воды в клубеньках (клубеньки сами не поглощают воду, они получают ее через корни), а из-за нехватки энергетических материалов – углеводов, которые расходуются на рост новых корешков, “ищущих” воду. Этот процесс усиливается по мере снижения влажности почвы. Нередко в районах с дефицитом увлажнения многие бобовые растения развиваются, не образуя клубеньков, несмотря на производимую инокуляцию. Наибольший симбиотический аппарат бобовых культур формируется при влажности почвы от 100% ППВ до ВРК (около 60% ППВ). В практике важно учитывать неодинаковый порог критической влажности для растений разных видов. Например, эспарцет довольно хорошо образует клубеньки при сравнительно низкой влажности почвы, а люцерна более чувствительна к дефициту влаги. При недостатке влаги величина и активность симбиотического аппарата резко снижаются у гороха, вики, клевера лугового, гибридного, ползучего. Для образования клубеньков и активной азотфиксации наиболее важна оптимальная влажность почвы весной и в первой половине лета.

Таким образом, учитывая особенности биологии культур, определяющие их устойчивость к недостатку влаги, можно путем подбора наиболее подходящей культуры или регулирования водного режима обеспечить лучшее развитие и активность симбиотического аппарата и повысить белковую продуктивность растений.

В Центральном районе Нечерноземной зоны (Московская область) засушливые годы и годы с недостаточным увлажнением составляют – 45%, в такие годы клубеньков на корнях бобовых культур образуется мало и сравнительно на короткое время или не образуется совсем, урожай резко снижается. Следовательно, даже в этом регионе для активной азотфиксации необходимо с помощью орошения поддерживать оптимальную влажность почвы для зернобобовых культур в период от начала бутонизации до полного налива семян, а для многолетних бобовых трав – в течение всей вегетации.

Избыток влаги, как и ее недостаток, также неблагоприятен для симбиоза. Из-за снижения аэрации почвы ухудшается снабжение симбиотического аппарата кислородом.

Аэрация почвы играет важную роль в процессе симбиотической азотфиксации. На 1мл фиксированного азота воздуха расходуется 3мл кислорода. Большая часть клубеньков образуется в наиболее аэрируемом слое почвы (0-10см). При уменьшении доступа кислорода к клубенькам снижаются содержание в них леггемоглобина и фиксация азота воздуха. Красный пигмент леггемоглобин (аналог гемоглобина крови по структуре и функциям) обеспечивает перенос кислорода воздуха от периферии клубенька к его энергетическим центрам – митохондриям, где идет окисление углеводов и высвобождение энергии для фиксации азота воздуха. Этот же гемапротеид изолирует азотфиксирующие центры от доступа кислорода, поскольку сам процесс восстановления атомарного азота идет в строго анаэробных условиях.

На тяжелых заплывающих почвах даже активные штаммы ризобий образуют мелкие клубеньки, слабофиксирующие азот. Следовательно, бобовые культуры необходимо размещать на рыхлых, хорошо окультуренных, незаплывающих почвах.

Температурный фактор играет важную роль в симбиотических отношениях макро – и микросимбионтов. Требования симбиотических систем к напряженности температуры закреплены в геноме симбионтов и определены экологическими условиями региона, в которых формировался вид.

Для видов короткодневного фотопериодизма оптимальная температура для максимальной симбиотической азотфиксации находится в диапазоне – 20-30°С. Однако даже за Полярным кругом в воркутинской тундре при температуре немного выше 0°С эндемичные бобовые культуры – копеечник арктический, астрагал субарктический, клевер люпинолистный и многие другие – формируют активный симбиотический аппарат и фиксируют азот воздуха в течение круглых суток. С другой стороны, в полупустынях и пустынях Средней Азии при температуре воздуха до 45°С при орошении соя, нут и маш активно фиксируют азот воздуха, а горох не формирует клубеньков. Верблюжья колючка в этих условиях без орошения имеет много крупных красных клубеньков, свидетельствующих об активной симбиотической азотфиксации.

Условия питания растения-хозяина определяют размеры симбиотической фиксации. Фиксация азота воздуха происходит при участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Главной составной частью АТФ является фосфор, поэтому при симбиотрофном питании растений азотом бобовые предъявляют более высокие требования к обеспеченности фосфором, чем при минеральном типе питания. Достаточная обеспеченность фосфором – обязательное условие активного симбиоза. При низком содержании фосфора в почве клубеньковые бактерии проникают в корень, но клубеньки не образуются. Различные бобовые культуры предъявляют неодинаковые требования к обеспеченности почвы этим элементом. Например, люпины желтый и многолетний способны извлекать фосфор из труднодоступных соединений почвы. Кормовые бобы, соя и фасоль такой способностью не обладают. Следовательно, для реализации максимальной симбиотической активности при минимальных затратах фосфорных удобрений необходимо учитывать индивидуальные требования конкретной культуры к обеспеченности фосфором и содержание его в почве.

Калий способствует передвижению пластических веществ в растении, лучшему обеспечению симбиотической системы фотоассимилятами. При недостатке калия ограничивается активность симбиотической азотфиксации.

Для активного усвоения азота воздуха бобовыми культурами необходима достаточная обеспеченность микроэлементами, в первую очередь бором и молибденом. Бор способствует лучшему развитию сосудисто-проводящей системы, обеспечению клубеньков энергетическими материалами. На кислых и слабокислых почвах бор находится в подвижном, доступном для растений состоянии и борные удобрения не применяют. При известковании кислых почв и в почвах с нейтральной и щелочной реакцией бор переходит в недоступное для растений состояние и под бобовые культуры можно вносить борные удобрения – боризированный суперфосфат, буру или борную кислоту (1кг бора/га).

Молибден входит в состав азотфиксирующего ферментного комплекса – нитрогеназы. Наряду с другими элементами с переменной валентностью (Fe, Co, Cu) он служит посредником при переносе электронов в окислительно-восстановительных ферментных реакциях. На кислых почвах молибден находится в малоподвижном состоянии, перед посевом на таких почвах семена бобовых обрабатывают молибдатом аммония (20-50г Мо на гектарную норму семян). При увеличении нормы удобрений развитие клубеньковых бактерий угнетается, активность симбиоза снижается. На почвах с нейтральной и щелочной реакцией среды молибден переходит в подвижное состояние и бобовые культуры не нуждаются в молибденовых удобрениях. Таким образом, для увеличения размеров и активности симбиотического аппарата необходимо на кислых почвах применять молибденовые удобрения, а на нейтральных – борные.

Биологические факторы оказывают определенное влияние на активность симбиотической системы. В частности, ризосферная микрофлора может стимулировать или угнетать развитие клубеньковых бактерий в зависимости от ее видового состава. Значительный вред ризобиям наносят бактериофаги, они вызывают лизис клеток ризобий в клубеньках.

Среди различных видов насекомых, наносящих вред клубенькам, наиболее вредоносны полосатый и щетинистый клубеньковые долгоносики, личинки которых питаются содержимым клубенька. При большой численности эти вредители почти полностью уничтожают клубеньки. Против долгоносиков успешно применяют химические средства защиты растений в период выхода жуков из почвы.

Большой вред клубенькам наносят и нематоды, которые обитают в ризосфере различных бобовых культур. Например, в прикорневой зоне гороха обнаружено 47 видов нематод, в том числе 25 паразитических. Эти нематоды проникают в клубеньки и уничтожают их, некоторые расы нематод полностью подавляют образование клубеньков. Основное средство борьбы с нематодами – севооборот.

Итак, для активного усвоения азота бобовыми культурами в симбиозе с клубеньковыми бактериями требуется определенный комплекс условий. В практике сельского хозяйства чаще всего какие-либо факторы среды бывают неблагоприятными для симбиоза. В каждой зоне лимитирующим является свой фактор: в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ – повышенная кислотность почвы, в южных районах – влажность почвы, на некоторых почвах – недостаточная обеспеченность фосфором, на почвах с нейтральной и щелочной средой – недостаток бора, а на кислых – молибдена. Для некоторых культур (люпин, соя) в новых районах возделывания лимитирующим фактором является отсутствие соответствующего штамма ризобий и т. п. Следовательно, если нет возможности создать комплекс благоприятных условий для бобово-ризобиального симбиоза, то активность симбиоза всегда бывает низкой, азота воздуха усваивается мало (15-30кг/га) или он не усваивается совсем. Растения в этом случае испытывают азотное голодание и дают низкие урожаи.

Антагонизм (противоположное действие, противодействие органов, химических веществ) микроорганизмов минерального и биологического азота.

В Центральном районе Нечерноземной зоны при благоприятных условиях для симбиоза (слабокислые почвы, орошение, достаточная обеспеченность подвижным фосфором, обменным калием, бором, молибденом) зернобобовые культуры могут сформировать за счет азота воздуха до 3т семян/га, клевер – до 12т сена, люцерна – до 14-15т сена/га. При этом зернобобовые усваивают 150-200кг азота воздуха, люцерна, козлятник восточный, клевер ползучий – до 400кг/га. Вносить азотные удобрения в данном случае бесполезно. Подавляя симбиотическую азотфиксацию, минеральный азот компенсирует снижение количества фиксированного азота воздуха и не повышает урожай. У зернобобовых культур отмечается даже устойчивая тенденция к снижению урожая семян, хотя математически она не доказуема, в то же время увеличивается накопление вегетативной массы. У люцерны несколько повышается урожай сена, но это не окупает затрат на удобрения. Кроме того, при внесении азотных удобрений под многолетние бобовые травы отдельные растения развиваются неравномерно, усиливается изреживаемость посевов, сокращается долголетие плантации.

Когда симбиоз ослаблен или его нет, то для получения умеренной урожайности зернобобовых культур (1,5-2т/га) целесообразно вносить – 100-150кг азота/га. При повышении нормы азота до 200кг/га несколько увеличивается урожай семян, но окупаемость удобрений снижается. При недостатке влаги азотные удобрения не используются растениями, они еще больше повышают концентрацию почвенного раствора и быстрее наступает физиологическая засуха. Урожай в этом случае не повышается, а чаще снижается.

Это еще раз говорит о том, что минеральный тип азотного питания зернобобовых культур – ненадежный и дорогой способ повышения урожайности. В любом случае для получения высокого урожая этой группы культур необходимо создавать благоприятные условия для симбиотрофного питания азотом.

Весенняя и поукосная подкормки многолетних бобовых трав минеральным азотом в нормах – 60-100кг/га вызывают снижение содержания леггемоглобина в перезимовавших клубеньках, задержку весеннего новообразования клубеньков и даже отмирание перезимовавших. Растения переходят на минеральный тип питания азотом. Однако к фазе бутонизации – перед укосом, когда минеральный азот исчерпан, растения на короткое время формируют активный симбиотический аппарат и содержание леггемоглобина в клубеньках становится таким же, как без внесения минерального азота. Подкормка азотом после укоса снова вынуждает растение сбрасывать симбиотический аппарат. Урожай зеленой массы при автотрофном и симбиотрофном типах питания азотом бывает практически одинаковым.

Для практики возделывания бобовых культур весьма важно уметь прогнозировать и контролировать обеспеченность растений симбиотически фиксированным азотом воздуха. Для различных экологических условий критерии прогнозирования специфичны. С учетом требований биологии культуры для активного симбиоза, например в условиях Центрального района Нечерноземной зоны, можно использовать следующие критерии для прогнозирования возможной фиксации азота воздуха и контроля за фактическим ходом симбиоза.

Если рНсол данного поля соответствует требованиям биологии культуры, влажность почвы поддерживается на оптимальном уровне, почва достаточно обеспечена фосфором и калием или в нее внесены фосфорно-калийные удобрения и микроэлементы до оптимального уровня обеспеченности, в почве имеются спонтанные активные клубеньковые бактерии (данную культуру не впервые возделывают на поле) либо семена инокулированы вирулентным активным штаммом специфичной расы клубеньковых бактерий, то в таком случае можно рассчитывать на максимальную азотфиксацию и получение высокой урожайности за счет усвоения растениями азота воздуха: сена клевера около 12т/га, люцерны – 15-18т/га, семян гороха и фасоли – 3-3,5т/га, кормовых бобов – до 5т/га. При нерегулируемой влажности активность симбиоза будет зависеть от метеорологических условий года.

Если какой-либо фактор имеет неблагоприятные параметры (кислотность почвы выше оптимальной, почва бедна фосфором, калием, микроэлементами, нет соответствующих удобрений и т. п.), азот воздуха будет фиксироваться слабо или не будет усваиваться совсем.

Правильность прогноза несложно проконтролировать в течение вегетации. Если у зернобобовых культур через 20-25 дней после всходов образовались розовые клубеньки, то фиксация азота воздуха протекает нормально. В фазе цветения, когда содержание леггемоглобина бывает наибольшим, полевой визуальный анализ 40-60 растений может дать представление об эффективности симбиоза. Для того в разных местах поля выкапывают растения на глубину – 10-15см (80-90% активных клубеньков располагается в верхнем 10-сантиметровом слое почв), осторожно освобождают от почвы (корни с клубеньками лучше отмыть) и анализируют клубеньки. Крупные розовые или красные клубеньки свидетельствуют об активной азотфиксации и хорошей обеспеченности растений азотом. Если клубеньки отсутствуют или они серого или зеленого цвета (без леггемоглобина), то в наиболее ответственный период – при наливе семян – растения будут испытывать азотное голодание. В этом случае на широкорядных посевах при нормальной влажности почвы целесообразно провести подкормки азотом. Аналогично осуществляют контроль за многолетними бобовыми травами.

Таким образом, контролируя процесс формирования и активности симбиотического аппарата, агроном может не только составить правильное представление об обеспеченности бобовых азотом, но и активно вмешиваться в питание растений и формирование урожая.