Использование Streptomyces sp. для улучшения качества экопочвы
30 января 2025, 21:08
Журнал «Гавриш» № 4/2024
В статье рассматриваются вопросы формирования ризосферы растений на ранних этапах развития растений в минераловатном субстрате. Показана перспективность использования бактерий рода Streptomyces sp., входящих в состав препарата ВЕРИВЕР, Ж, для улучшения качества экопочвы и формирования ризосферы растений.
Ключевые слова
экопочва, формирование ризосферы, Streptomyces sp., минераловатный субстрат
В современном сельском хозяйстве всё большее внимание уделяется применению эффективных методов выращивания, повышающих урожайность растений. Одним из таких методов является малообъемная технология или технология выращивания растений в защищенном грунте, позволяющая увеличить производительность за счет круглогодичного выращивания культур в закрытых условиях. Однако, при использовании данной технологии возникает ряд проблем, связанных с формированием биоценоза в прикорневой зоне растений и, соответственно, с формированием растением устойчивой системы, способной защитить его от различных стрессов.
Биоценоз прикорневой зоны
Биоценоз прикорневой зоны растений представляет собой совокупность микроорганизмов, которые взаимодействуют друг с другом, с растениями и их корневыми метаболитами, обеспечивая их рост и развитие. В условиях малообъемной технологии, когда растения выращиваются в ограниченном пространстве, формирование биоценоза может быть затруднено из-за применения практических стерильных субстратов и отсутствия функции экссудатов как главной структуры, формирующей состав ризосферного биоценоза.
Одним из способов решения этой проблемы может быть направленное формирование биоценоза путем внесения штаммов микроорганизмов, обладающих стимулирующими свойствами в отношении растений, в прикорневую зону.
Ризосферой называют тонкий слой почвы, находящийся в непосредственной близости к корневой системе, толщиной до 5 мм. В этом пространстве развивается большое количество бактерий, грибов, микроскопических насекомых и животных. Бактерии и грибы могут потреблять отмирающую растительную ткань, растительные экссудаты, а простейшие, как правило, питаются микроорганизмами. В ризосфере развивается особый биоценоз, разительно отличающийся от более отдаленных от корней участков почвы, которые называют основной почвой; именно зона ризосферы обеспечивает растения необходимой защитой от негативного влияния фитопатогенной флоры [1].
Ризосфера, как отдельный биоценоз, состоит из нескольких компонентов. В первую очередь ризосферу формирует непосредственно растение и его экссудаты – вещества, являющиеся продуктами метаболизма и выделяемые корневой системой в прикорневую зону; также важную роль в формировании ризосферы является состав и численность микроорганизмов, обитающих в прикорневой зоне, в воздушной среде и воде, попадающих в субстрат. Эти факторы тесно связаны с внешними условиями – различными абиотическими факторами, способными влиять на развитие растения и микроорганизмов. Ризосфера – это динамический объект, и ее формирование – непрерывный процесс [2], в ходе которого под воздействием внешних условий происходят значительные изменения во всех формирующих ее параметрах: может изменяться состав и количество экссудатов [3], а также происходить качественные и количественные изменения в микробном сообществе прикорневой зоны [4].
Исследования микробного сообщества прикорневой зоны томатов и огурцов на разных стадиях развития, на минераловатных субстратах различных производителей позволили нам сделать предположение, что микробный биом минераловатного субстрата в своей основе приближается по концентрации микроорганизмов к микробному биому различных почв и составляет порядка 109 КОЕ/г [5]. Видовой состав биоты в минераловатной почве зависит от массы факторов, в первую очередь, от той микрофлоры, которая вносится в него с биологическими препаратами, с потоками воды, а также оседает из воздуха. Распределение микроорганизмов по глубине также зависит от массы факторов – влажности, насыщенности поливного раствора растворенным кислородом, да и самой структурой минеральной ваты. Соотношение бактериальной и грибной микрофлоры в минеральной вате приближается к 109КОЕ/г бактерий и 105 КОЕ/г грибов [6].
Ризосферные микроорганизмы
Ризосферные микроорганизмы, или ризобиом, – это микроорганизмы, приспособленные выживать и развиваться в зоне ризосферы; зачастую качественный состав ризобиома зависит от типа растения-хозяина, а, следовательно, от набора экссудатов, выделяемых его корнями. Ризосферные микроорганизмы выполняют множество функций и могут вступать в различные взаимоотношения c растением-хозяином, от положительных до негативных; также при наличии определенных внешних воздействий (абиотические стрессы, зараженный семенной материал или поливная вода и др.) в ризосфере могут развиваться фитопатогенные микроорганизмы, способные отрицательно повлиять на развитие растения. При этом не всегда наличие фитопатогенов в прикорневой зоне растения означает развитие той или иной болезни, поскольку зачастую именно ризобиом выступает в роли главного защитника корневой системы от разрушения фитопатогенами [7]. Это может происходить как за счет непосредственного антагонизма, так и за счет конкуренции за питательные вещества, элиситоров – веществ, стимулирующих рост растения, выделения антимикробных метаболитов или даже непосредственного паразитизма одних микроорганизмов на других [8].
Поскольку минераловатный субстрат при производстве и в начале эксплуатации практически стерилен, не существует возможности при посеве семян повлиять на состав формирующегося в субстрате ризобиома, кроме как путем целенаправленного внесения биопрепаратов с живыми микроорганизмами в прикорневую зону. При этом, если внесение производится через некоторое время после посева, например, в момент появления семядольных листьев, существует вероятность, что микроорганизмы, входящие в состав биологического препарата, не смогут закрепиться в минераловатном субстрате.
Было показано [9], что при внесении биопрепаратов в минераловатный субстрат в течение одного культурооборота (при условии использования вторичного субстрата) конечный состав ризосферы в контрольном и опытном варианте был различен. Так, в опытном варианте наблюдалось гораздо более низкая концентрация фитопатогенов по сравнению с контрольным вариантом, некоторые фитопатогены, присутствовавшие в контроле, не обнаруживались в опытном варианте; также в опытном варианте возрастала концентрация нейтральной и фитоположительной микрофлоры. Таким образом, биопрепараты помогали формировать более устойчивую к атаке фитопатогенов ризосферу.
Бактерии рода Streptomyces
Бактерии рода Streptomyces повсеместно распространены в различных видах почв по всему миру. Они играют большую роль в процессах минерализации нерастворимых компонентов (целлюлозы, хитина) и чаще всего выступают в роли сапротрофов, питаясь отмершими частями растений [10].
Количество бактерий рода Streptomyces в почве может колебаться в различных диапазонах, но обычно составляет от 104 КОЕ/г до 106 КОЕ/г. Также количество актиномицетов в почве может случить показателем биологической активности почвы, таким образом, более высокое количество актиномицетов указывает на более здоровую и активную почву [11].
Непосредственно в зоне ризосферы бактерии рода Streptomyces зачастую занимают нишу микроорганизмов, минерализующих нерастворимые остатки – целлюлозу и хитин. Так, при высоком содержании Streptomyces spp. в ризосфере считается, что почва способна эффективно разлагать растительные остатки и в ней существует активный цикл питательных компонентов. Присутствие таких бактерий в ризосфере положительно сказывается на росте растения.
На данный момент существует ряд препаратов на основе метаболитов Streptomyces spp., применяемых в сельском хозяйстве в качестве фунгицидов, бактерицидов, нематоцидов, акарицидов и инсектицидов.
На данный момент в сельском хозяйстве используются препараты на основе пептидов (бактериоцинов), синтезируемых Streptomyces spp., например, комплекс стрептотрициновых бактериоцинов, синтезируемый штаммом Streptomyces lavendulae, лег в основу– системных фунгицидов и бактерицидов, обладающих широкой антимикробной активностью.
Также в сельском хозяйстве разрешено применять метаболиты с энтомоцидными и акарицидным действием, синтезируемый штаммом Streptomyces globisporus streptomycini. В сфере сельского хозяйства его применяют для борьбы с вредными насекомыми: луговым мотыльком, хлопковой совкой, свекловичной блошкой и колорадским жуком.
Существует множество исследований, показывающих способность почвенных видов Streptomyces spp. проявлять антагонистические свойства по отношению к фитопатогенной микрофлоре [12], причем часто активные штаммы Streptomyces spp. проявляют широкий спектр активности, охватывающий большое количество микроорганизмов, что делает их потенциально интересными объектами для исследования и дальнейшего использования в составе СЗР.
Формирование ризосферы в условиях защищенного грунта является мерой, значительно улучшающей способность растения справляться с биотическими стрессами за счёт формирования более устойчивой ризосферы. На данный момент существуют исследования, в которых для формирования ризосферы используются как фитостимулирующие, так и антагонистические микроорганизмы.
Как было показано ранее, бактерии рода Streptomyces spp. обладают целым рядом данных, которые делают их присутствие в ризосфере растений защищенного грунта потенциально полезным: способствуют минерализациии отмирающих корней, способны проявлять антагонизм по отношению к фитопатогенным микроорганизмам, а также, по результатам некоторых исследований, способны колонизировать непосредственно поверхность корневой системы [5]. Колонизация поверхности корней не фитопатогенными микроорганизмами может значительно усилить защиту растения перед различными абиотическими и биотическими стрессами. Все эти свойства делают бактерии Streptomyces spp. перспективным объектом для применения в качестве агента, формирующего экопочву защищенного грунта.
Препарат ВЕРИВЕР
В процессе разработки препарата ВЕРИВЕР, Ж был произведен скрининг различных штаммов бактерии рода Streptomyces spp.
Для использования того или иного микроорганизма в качестве агента биологического контроля необходимо, чтобы он отвечал нескольким требованиям. Одним из главных параметров агента биологического контроля является отсутствие негативного эффекта на рост и развитие растения. Параметр фитотоксичности показывает, насколько сильно культуральная жидкость, содержащая клетки и метаболиты микроорганизма, влияет на развитие растений. При этом оказываемый эффект может быть, как отрицательным (фитотоксичным), так и положительным (фитостимулирующим).
По полученным в ходе исследования результатам было установлено, что ни один из исследуемых штаммов не проявлял фитотоксического эффекта по отношению к проросткам семян огурца и томата.
На следующем этапе исследовали способность клеток Streptomyces spp. развиваться в условиях, когда единственным источником углерода были экссудаты огурца либо томата. Для этого в стерильных условиях в пробирки с раствором минеральных солей Хогланда помещали семена огурца или томата и вносили клетки штаммов Streptomyces spp. Далее на 1, 7 и 14 сутки после внесения клеток методом Коха оценивали концентрацию клеток в растворе, результаты представлены на рисунке 2. Также на 14 сутки выкладывали корни и стебли огурцов и томатов на агаризованные среды для оценки процентного соотношения Streptomyces spp. на поверхности растений. По результатам, представленными на рисунке 2, можно отметить, что только некоторые штаммы Streptomyces spp. не элиминировались из раствора к 14 суткам как в огурцах, так и в томатах.
На следующем этапе исследования была проведена оценка взаимодействия клеток Streptomyces, являющиеся основой препарата ВЕРИВЕР, Ж, с другими микроорганизмами в минеральной вате – как фитопатогенными, так и агентами биологического контроля. Для исследования влияния микроорганизмов-агентов биологического контроля и клеток S.rimosus на фитопатогенную микрофлору вносили культуральные жидкости этих микроорганизмов в кубики с семенами томата F1 Сумо. В качестве фитопатогенных микроорганизмов в кубики с растениями томата вносили клетки C.michiganensis. Также единовременно вносили культуральную жидкость штаммов S.rimosus, P.fluorescens и раствор, содержащий споры T.viride. Оценивали концентрацию клеток в кубиках в течение 28 суток. Результаты представлены на рисунке 3.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что клетки микроорганизмов-АБК способны сохраняться до 28 суток в минераловатных субстратах с растениями на начальной стадии развития при наличии фитопатогенных микроорганизмов в прикорневой зоне. Изучено и показано, что клетки S.rimosus, являющиеся основой препарата ВЕРИВЕР, Ж не оказывают негативного влияния на концентрацию клеток различных АБК при совместном развитии в минераловатном субстрате; при совместном развитии с фитопатогеном C.michiganensis наблюдалось более быстрое элиминирование клеток фитопатогена по сравнению с контролем.
Таким образом, бактерии рода Streptomyces spp в силу целого комплекса свойств являются перспективным объектом для создания препаратов для биологической защиты растений. Один из штаммов бактерий рода Streptomyces spp был выбран нами, на основе своих свойств, для создания препарата ВЕРИВЕР, Ж (ГК БИОМ), который можно использовать как на стадии формирования микробного сообщества в прикорневой зоне растений, так и на стадиях корректировки его состава для регулирования численности грибных и бактериальных фитопатогенов.
1. Baetz U., Martinoia E. Root exudates: the hidden part of plant defense //Trends in plant science. – 2014. – Т. 19. – №. 2. – С. 90-98.
2. Гордеева Т. Х., Масленникова С. Н., Гажеева Т. П. Формирование микробно-растительных сообществ ризосферы в онтогенезе зерновых культур //Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2012. – №. 81. – С. 611-620.
3. Пухальский Я. В. и др. Изменение композиционного состава корневых экссудатов у растений гороха посевного при воздействии тяжелых металлов //Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды. – 2018. – С. 1121-1125.
4. Гажеева Т. П., Гордеева Т. Х., Масленникова С. Н. Динамика численности и состава микроорганизмов ризосферы некоторых злаковых растений в процессе их роста и развития //Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. – №. 12 (131). – С. 328-330.
5. Бактерии рода Streptomyces spp. – основа для создания инновационного препарата Веривер / В. А. Писаревская, Е. О. Павленко, А. А. Шагаев и др. // Гавриш. — 2024. — № 2. — с. 22–27.
6. Использование бактерий рода Streptomyces для формирования ризосферы в минераловатном субстрате / Е. О. Павленко, В. А. Писаревская, А. А. Шагаев и др. // Теплицы России. — 2024. — № 2. — С. 54–58.
7. Zhuang Y. et al. Rhizosphere Metabolic Cross-Talk from Plant-soil-microbe Tapping into Agricultural Sustainability: Current Advance and Perspectives //Plant Physiology and Biochemistry. – 2024. – С. 108619.
8. del Carmen Orozco-Mosqueda M. et al. Rhizobiome engineering: Unveiling com-plex rhizosphere interactions to enhance plant growth and health //Microbiological Research. – 2022. – Т. 263. – С. 127137.
9. Смолин Н. В. и др. Формирование состава микрофлоры ризопланы и ризосферы огурца в кокосовом субстрате //Аграрный научный журнал. – 2022. – №. 3. – С. 33-36.
10. Seipke R. F., Kaltenpoth M., Hutchings M. I. Streptomyces as symbionts: an emerging and widespread theme? //FEMS microbiology reviews. – 2012. – Т. 36. – №. 4. – С. 862-876.
11. Стома Г. В., Манучарова Н. А., Белокопытова Н. А. Биологическая активность микробных сообществ в почвах некоторых городов России //Почвоведение. – 2020. – №. 6. – С. 703-715.
12. Дегтярева Е. А. и др. Почвенные актиномицеты как потенциальные биофун-гициды //Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. – 2009. – №. 2. – С. 22-26.
