Действие биопрепаратов, созданных на основе бактерий рода Bacillus, на продуктивность овса посевного

УДК 579.64:633.13

Действие биопрепаратов, созданных на основе бактерий рода Bacillus, на продуктивность овса посевного

Платонов А. В.¹, кандидат биологических наук

Рассохина И. И.¹

¹ФГБУН «Вологодский научный центр Российской академии наук»

160014, Россия, г. Вологда, ул. Горького, д. 56а

E-mail: bio@volnc.ru

Лаптев Г. Ю.,² доктор биологических наук

²ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

196601, Россия, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское ш., д. 2а

E-mail: georg-laptev@rambler.ru

В статье показаны результаты мелкоделяночных полевых опытов, проведённых в 2019–2021 годах, по оценке действия препаратов, созданных на основе бактерий Bacillus subtilis и Bacillus megaterium, на рост и продуктивность овса посевного сортов Яков и Лев. Исследования проводились в Вологодской области на полях ВолНЦ РАН. Микробные препараты использовались дважды: для предпосевного замачивания семян в рабочем растворе препарата в течение 2 ч и для опрыскивания филлосферы растений на стадии кущения. В рамках исследований у растений на стадии кущения и трубкования оценивали следующие параметры: кустистость, количество листьев, сырую и сухую массу. На стадии начала созревания зерна проводили оценку структуры урожая. В результате опытов было выявлено, что препараты, созданные на основе бактерий B. subtilis и B. megaterium, оказывали положительное влияние на рост и продуктивность овса посевного в условиях Вологодской области. Повышение продуктивности растений под влиянием бактерий биопрепаратов произошло за счёт как увеличения продуктивной кустистости, так и некоторого увеличения количества зерновок в метёлке. Более стабильное влияние на биометрические параметры растений, вне зависимости от года исследования, было зафиксировано у препарата, основу которого составляют микроорганизмы B. megaterium. У овса сорта Яков в зависимости от года исследований наблюдалось увеличение зерновой продуктивности при использовании препарата с живыми бактериями B. subtilis на 14–20%, при использовании B. megaterium — на 12–25%, урожайность овса сорта Лев возрастала относительно контроля на 6–29 и 15–17% соответственно.

Ключевые слова: биопрепараты, Bacillus, овёс посевной, рост, зерновая продуктивность.

Овёс посевной (Avena sativa L.) является одной из важных зерновых культур, возделываемых на территории Вологодской области, доля его посевов среди остальных зерновых растений составляет 18–22% (данные Вологдастат). Овёс используется прежде всего в качестве корма для скота, особенно молодняка. Кормовые достоинства зерна овса связаны с довольно высоким содержанием белка (12–13%), крахмала (40–45%) и жира (до 5%) (Ерёмин, Моисеева, 2020). Кроме того, овёс является неприхотливой культурой, что позволяет успешно возделывать его в Нечернозёмной зоне России с её изменчивыми погодными условиями.

Однако продуктивность зерновых культур в Вологодской области не достигает генетически запрограммированных максимумов (Рассохина, Платонов, 2021). Одним из перспективных и безопасных путей повышения продуктивности зерновых культур является внесение полезных микроорганизмов. При этом широко используемым на мировом рынке биопестицидов является род Bacillus, представители которого часто рассматриваются как микробные фабрики, производящие биологически активные молекулы с широким спектром применения (Sansinenea et al., 2019). Так, в работе S. S. Akhtar и соавторов показано увеличение массы побегов и корней кукурузы на 15%, а также эффективности использования воды на 46% при действии штамма B. licheniformis FMCH001 за счёт увеличения антиоксидантной активности каталазы (Akhtar et al., 2020). F. A. Ansari и соавторы отмечают, что B. pumilus FAB10 способен к продуцированию прочной биоплёнки, а также повышенного количества экзополисахаридов и ИУК, штамм также повышает активность АЦК-дезаминазы и мобилизацию фосфатов. При этом колонизация корней пшеницы изолятом B. pumilus FAB10 нивелировала негативное влияние солевого стресса на ростовые процессы (Ansari et al., 2019). В исследованиях P. Pérez-Flores и соавторов показано влияние летучих биологически активных веществ штамма B. methylotrophicus M4–96, который выделен из ризосферы кукурузы, на развитие корней и побегов, а также на экспрессию ауксинрегулируемых генов у Arabidopsis thaliana (Pérez-Flores et al., 2017). В работах отечественных авторов неоднократно показано, что препараты, созданные на основе бактерий рода Bacillus, повышают устойчивость и продуктивность различных сельскохозяйственных культур (Веселова и др., 2019; Чеботарь и др., 2016).

Цель нашего исследования — оценить действие микробных препаратов, созданных на основе бактерий Bacillus subtilis и Bacillus megaterium, на продуктивность овса посевного в условиях Вологодской области.

Методика исследований. Исследования по оценке действия биопрепаратов на ростовые и продуктивные качества овса посевного осуществлялись на опытном поле ФГБУН «Вологодский научный центр Российской академии наук» (27 км от г. Вологды) в 2019–2021 годах. Почва на опытном поле осушенная дерново-подзолистая, среднесуглинистая. Содержание аммиачного азота в почве составляло 4,2±0,6 мг/кг, нитратного азота — 38,9±7,8 мг/кг, массовая доля подвижного калия — 261,0±39,2 мг/кг, массовая доля подвижного фосфора — 260,0±52,0 мг/кг, pH_сол — 6,6±0,1.

В работе использовались микробные препараты, созданные компанией ООО «Биотроф» (г. Санкт-Петербург) на основе живых клеток B. subtilis штамм № 111 и B. megaterium штамм B–4801. Для культивирования бактерий использовали питательную среду, которая включала в себя свекловичную мелассу (2%) и минеральные соли, источником азота служил нитрат натрия. В 1 мл препарата содержание живых бактерий исходных штаммов составляло не менее 1×10⁸ КОЕ. Объектом исследования был выбран овёс посевной сортов Лев и Яков. Данные сорта рекомендованы к использованию в условиях Северо-Запада России.

Исследования проводились в рамках мелкоделяночного полевого опыта. Площадь делянки составляла 2 м², повторность пятикратная. Посев происходил в соответствии с принятыми нормами высева — 5 млн семян на 1 га (Маркова и др., 2001). Перед посевом семена опытных вариантов инокулировали в рабочих растворах препаратов с концентрацией 1 мл препарата на 1 л воды в течение 2 ч, семена контрольного варианта замачивались в воде. Кроме того, на стадии кущения проводили опрыскивание филлосферы овса рабочими растворами согласно рекомендациям производителя с нормой расхода препаратов 1 л препарата на 1 га и нормой расхода рабочего раствора 200 л/га.

Уход за культурами происходил в соответствии с общепринятыми агротехническими приёмами, минеральные удобрения, гербициды и пестициды не вносились. На стадиях кущения и трубкования учитывали кустистость, количество листьев, сырую и сухую массу растений, а также площадь листа. В конце вегетационного периода проводили анализ зерновой продуктивности овса.

Статистическую обработку данных осуществляли по стандартным методикам с использованием пакета анализа данных программы MS Excel 2010. В таблицах представлены средние значения показателей и величины их арифметических отклонений. Оценку достоверности различия выборочных средних проводили при значении доверительной вероятности 0,95.

Результаты исследований. Полученные данные свидетельствуют о существенных различиях в биометрических показателях и продуктивности овса в зависимости от года исследований, что объясняется ярко выраженными отличиями погодных условий (рис.). Так, в 2019 году средняя температура вегетационного периода была самой низкой. Учитывая, что понижение температуры наблюдалось во втором периоде вегетации растений (июле и августе), на рост и развитие растений данный фактор не оказал значимого воздействия.

Рис. Погодные условия вегетационного периода по годам исследований (температура, ºС, количество осадков, мм)

Неблагоприятные условия для роста растений сложились в 2020 и 2021 годах. Так, в мае, в период посева семян, количество осадков в 2020 году было в 3,3 раза выше средних показателей прошлых лет, при этом температура была меньше на 2ºС. Это привело к более поздним срокам посева и создало стрессовые условия для прорастания семян и роста растений на начальных этапах онтогенеза. В 2021 году наблюдалась противоположная ситуация: средняя температура вегетационного периода была выше прошлых лет почти на 2ºС, при этом наиболее остро отличия были заметны в июне, в период активного роста растений, кроме того, июнь и июль 2021 года отличались крайне скудными осадками (ниже средних в 2–2,5 раза), что существенно повлияло на ростовые процессы растений.

На стадии кущения растений в целом наблюдалась тенденция к увеличению морфометрических параметров при действии бактерий, входящих в состав биопрепаратов (табл. 1). Так, у опытных растений овса сорта Яков сырая масса возрастала относительно контроля на 17–32 и 23–31%, сухая масса — на 8–47 и 15–28% соответственно вариантам с внесением бактерий B. subtilis и B. megaterium. У растений сорта Лев в 2020 году внесение обоих препаратов увеличило сырую массу на 15–36%, сухую массу — на 30–45%, а в 2021 году увеличение сухой массы растений наблюдалось лишь в варианте с B. megaterium (на 7%).

1. Морфологические параметры овса на стадии кущения

Примечание: * — разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05.

Разница между растениями контрольных и опытных вариантов сохранялась и на стадии трубкования (табл. 2). Растения сорта Яков в оба года исследований реагировали на внесение препаратов сходным образом. Например, при внесении препарата, в основе которого лежат бактерии B. subtilis, наблюдалось увеличение сырой массы на 39–46%, сухой — на 38–46%, а при внесении бактерии B. megaterium сырая и сухая масса возрастала на 52–68% относительно контроля. У опытных растений сорта Лев в 2020 году при внесении бактерии B. subtilis наблюдалось более ощутимое превосходство над контролем (сухая масса опережала контроль на 59%, сырая масса — на 66%) при сравнении с B. megaterium (опытные растения больше контроля на 38 и 41% соответственно показателям сухой и сырой массы). Однако в сухом и жарком 2021 году эффект от использования биопрепаратов был существенно ниже, и более выраженное положительное действие на растения овса сорта Лев оказал препарат с живыми бактериями B. megaterium, который увеличил сырую массу опытных растений на 14%, сухую массу — на 25%, количество листьев — на 32% относительно контроля.

2. Морфологические параметры овса на стадии трубкования

Примечание: * — разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05.

На основании полученных данных по биометрическим показателям растений в фазах кущения и трубкования можно говорить, что в целом бактерии B. megaterium оказали несколько более ощутимое воздействие на ростовые процессы растений овса обоих сортов. Возрастание биометрических показателей вегетирующих растений под влиянием биопрепаратов позволило ожидать увеличения и зерновой продуктивности.

Анализ структуры урожая овса показывает, что зерновая продуктивность обоих сортов растений была существенно ниже в 2021 году по сравнению с предыдущими годами исследований (табл. 3), что, как было отмечено выше, связано с погодными условиями. Также сорт Яков показал более высокую зерновую продуктивность по сравнению с сортом Лев. Использование изученных биопрепаратов оказало положительное влияние на продуктивность овса. Так, зерновая продуктивность растений сорта Яков в 2019 году возрастала относительно контроля на 20–25%, в 2021 году — на 12–14%. В 2020 влажном и относительно прохладном году зерновая продуктивность овса сорта Лев достигла наибольших значений при внесении препарата с живыми бактериями B. subtilis (урожайность выше контроля на 29%), а в жарком и сухом 2021 году — при внесении B. megaterium (урожайность выше контроля на 15%).

3. Анализ структуры урожая овса

Примечание: * — разница по сравнению с контролем статистически достоверна при Р < 0,05.

Повышение продуктивности растений под влиянием бактерий биопрепаратов произошло за счёт как увеличения продуктивной кустистости, так и некоторого увеличения количества зерновок в метёлке.

Стимуляция роста овса бактериями рода Bacillus, вероятно, происходит путём синтеза ими биологически активных веществ, повышения растворения фосфатов и хелатирования железа (Raddadi et al., 2009). Так, в геноме B. subtilis были идентифицированы кластеры генов, которые ассоциированы с синтезом сидерофоров и ассимиляцией фосфора, также были обнаружены гены, необходимые для осуществления процесса связывания железа при участии бициллибактина (Dunyashev et al., 2022). Как отмечают López-Bucio с соавторами и Castro с соавторами, действие B. megaterium на растения может быть связано с синтезом цитокининов, что в первую очередь приводит к более активному развитию корневой системы растений, особенно боковых корней (López-Bucio et al., 2007; Castro et al., 2008).

Заключение. Таким образом, биопрепараты оказали благоприятное влияние на рост и продуктивность овса посевного сортов Лев и Яков в условиях Вологодской области. У овса сорта Яков в зависимости от года исследований наблюдалось увеличение зерновой продуктивности при внесении препарата с живыми бактериями B. subtilis на 14–20%, при внесении B. megaterium — на 12–25%, урожайность овса сорта Лев возрастала относительно контроля на 6–29 и 15–17% соответственно. В целом по годам исследований наиболее стабильным с точки зрения как увеличения ростовых параметров, так и повышения урожайности оказался препарат, в основе которого лежат бактерии B. megaterium.

Литература

1. Бактерии рода Bacillus в регуляции устойчивости пшеницы к обыкновенной злаковой бактерии Schizaphis graminum Rond. / С. В. Веселова, Г. Ф. Бурханова, С. Д. Румянцев, Д. К. Благова, И. В. Максимов // Прикладная биохимия и микробиология. — 2019. — № 1 (55). — С.56–63. Doi: org/10.1134/S0555109919010185).
2. Ерёмин Д. И. Актуальность выращивания овса в России / Д. И. Ерёмин, М. Н. Моисеева // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2020. — № 6 (86). — С.58–61.
3. Маркова И. А. Основы сельскохозяйственных пользований: учебное пособие / И. А. Маркова, М. Е. Гузюк, И. В. Вервейко. — СПб: ЛТА, 2001. — 126 с.
4. Рассохина И. И. Проблема повышения продуктивности зерновых культур Вологодской области / И. И. Рассохина, А. В. Платонов // Молодые учёные — экономике региона: материалы XX международной научно-практической конференции, Вологда, 25–27 ноября 2020 г. — Вологда: Вологодский научный центр РАН, 2021. — С.337–341.
5. Микробные препараты на основе эндофитных и ризобактерий, которые перспективны для повышения продуктивности и эффективности использования минеральных удобрений у ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) и овощных культур / В. К. Чеботарь, А. Н. Заплакин, А. В. Щербаков, Н. В. Мальфанова, А. А. Старцева, Я. В. Костин // Сельскохозяйственная биология. — 2016. — Т. 51. — № 3. — С.335–342. Doi: org/10.15389/agrobiology.2016.3.335rus.
6. Bacillus licheniformis FMCH001 increases water use efficiency via growth stimulation in both normal and drought conditions / S. S. Akhtar, D. B. Amby, J. N. Hegelund, L. Fimognari, D. K. Großkinsky, J. C. Westergaard, R. Müller, L. Moelbak, F. Liu, T. Roitsch // Frontiers in plant science. — 2020. — No. 11. — P.297. Doi: org/10.3389/fpls.2020.00297.
7. Ansari F. A. Growth stimulation and alleviation of salinity stress to wheat by the biofilm forming Bacillus pumilus strain FAB10 / F. A. Ansari, I. Ahmad, J. Pichtel // Applied soil ecology. — 2019. — No. 143. — P.45–54. Doi: org/10.1016/j.apsoil.2019.05.023.
8. Analysis of the potential associated with the siderophores synthesis in the Bacillus subtilis strain using whole genome sequencing / T. Dunyashev, G. Laptev, E. Yildirim, L. Ilina, V. Filippova, D. Tiurina, A. Dubrovin, N. Tarlavin, S. Bikonya, E. Brazhnik, V. Melikidy, A. Platonov // Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East. Agricultural Innovation Systems. — Ussuriysk, 2022. — Vol. 2. — P.663–669. Doi: org/10.1007/978-3-030-91405-9_73.
9. Bacillus megaterium rhizobacteria promote growth and alter root-system architecture through an auxin-and ethylene-independent signaling mechanism in Arabidopsis thaliana / J. López-Bucio, J. C. Campos-Cuevas, E. Hernández-Calderón, C. Velásquez-Becerra, R. Farías-Rodríguez, L. I. Macías-Rodríguez, E. Valencia-Cantero // Molecular Plant-Microbe Interactions. — 2007. — No. 20 (2). — P.207–217. Doi: org/10.1094/MPMI-20-2-0207.
10. Castro R. O. Plant growth promotion by Bacillus megaterium involves cytokinin signaling / R. O. Castro, E. V. Cantero, J. L. Bucio // Plant Signal Behav. — 2008. — No. 3 (4). — P.263–265. Doi: org/10.4161/psb.3.4.5204.
11. Characterization of polyvalent and safe Bacillus thuringiensis strains with potential use for biocontrol / N. Raddadi, A. Belaouis, I. Tamagnini, B. M. Hansen, N. B. Hendriksen, A. Boudabous, A. Cherif, D. Daffonchio // Journal of basic microbiology. — 2009. — No. 49 (3). — Р.293–303. Doi: org/10.1002/jobm.200800182.
12. Bacillus methylotrophicus M4-96 isolated from maize (Zea mays) rhizoplane increases growth and auxin content in Arabidopsis thaliana via emission of volatiles / P. Pérez-Flores, E. Valencia-Cantero, J. Altamirano-Hernández, R. Pelagio-Flores, J. López-Bucio, P. García-Juárez, L. Macías-Rodríguez // Protoplasma. — 2017. — No. 254 (6). — P.2201–2213. Doi: org/10.1007/s00709-017-1109-9
13. Sansinenea E. Bacillus spp.: as plant growth-promoting bacteria // Secondary metabolites of plant growth promoting rhizomicroorganisms. — 2019. — P.225–237.

The effect of Bacillus spp.-based biological preparations on oats’ productivity

Platonov A. V.¹, PhD Biol. Sc.

Rassokhina I. I.¹

¹Vologda Research Center of the Russian Academy of Sciences

160014, Russia, Vologda, Gorkogo str., 56a

E-mail: bio@volnc.ru

Laptev G. Yu.,² Dr. Biol. Sc.

²St. Petersburg State Agrarian University

196601, Russia, St. Petersburg, Pushkin, Peterburgskoe shosse, 2/а

E-mail: georg-laptev@rambler.ru

This article reports on the field trials conducted in 2019–2021. The aim was to test the effect of preparations, based on Bacillus subtilis and Bacillus megaterium on the growth and productivity of oats Yakov and Lev. This investigation took place at the Vologda Research Center of the Russian Academy of Sciences. Microbial preparations were used twice: for 2 hour-seed treatment as well as phyllosphere spraying at tillering stage. Such traits as tilling capacity, leaf number, green and dry masses were analyzed at tillering and shooting stages. Oat productivity was tested at the early stage of grain ripening. Preparations positively affected plant performance. Productivity grew due to higher tilling and grain production capacities affected by bacteria. The B. megaterium-based preparation showed stable positive impact on plants throughout all the years. B. subtilis increased grain productivity of Yakov by 14–20% while B. megaterium — by 12–25%. Yield increases of Lev amounted to 6–29 and 15–17%, respectively.

Keywords: biological preparations, Bacillus, common oats, growth, grain productivity.

References

1. Bakterii roda Bacillus v regulyatsii ustoychivosti pshenitsy k obyknovennoy zlakovoy bakterii Schizaphis graminum Rond. / S. V. Veselova, G. F. Burkhanova, S. D. Rumyantsev, D. K. Blagova, I. V. Maksimov // Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya. — 2019. — No. 1 (55). — P.56–63. Doi: org/10.1134/S0555109919010185).
2. Eremin D. I. Aktualnost vyrashchivaniya ovsa v Rossii / D. I. Eremin, M. N. Moiseeva // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. — 2020. — No. 6 (86). — P.58–61.
3. Markova I. A. Osnovy selskokhozyaystvennykh polzovaniy: uchebnoe posobie / I. A. Markova, M. E. Guzyuk, I. V. Verveyko. — St. Petersburg: LTA, 2001. — 126 p.
4. Rassokhina I. I. Problema povysheniya produktivnosti zernovykh kultur Vologodskoy oblasti / I. I. Rassokhina, A. V. Platonov // Molodye uchenye — ekonomike regiona: materialy XX mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, Vologda, 25–27 noyabrya 2020 g. — Vologda: Vologodskiy nauchnyy tsentr RAN, 2021. — P.337–341.
5. Mikrobnye preparaty na osnove endofitnykh i rizobakteriy, kotorye perspektivny dlya povysheniya produktivnosti i effektivnosti ispolzovaniya mineralnykh udobreniy u yarovogo yachmenya (Hordeum vulgare L.) i ovoshchnykh kultur / V. K. Chebotar, A. N. Zaplakin, A. V. Shcherbakov, N. V. Malfanova, A. A. Startseva, Ya. V. Kostin // Selskokhozyaystvennaya biologiya. — 2016. — Vol. 51. — No. 3. — P.335–342. Doi: org/10.15389/agrobiology.2016.3.335rus.
6. Bacillus licheniformis FMCH001 increases water use efficiency via growth stimulation in both normal and drought conditions / S. S. Akhtar, D. B. Amby, J. N. Hegelund, L. Fimognari, D. K. Großkinsky, J. C. Westergaard, R. Müller, L. Moelbak, F. Liu, T. Roitsch // Frontiers in plant science. — 2020. — No. 11. — P.297. Doi: org/10.3389/fpls.2020.00297.
7. Ansari F. A. Growth stimulation and alleviation of salinity stress to wheat by the biofilm forming Bacillus pumilus strain FAB10 / F. A. Ansari, I. Ahmad, J. Pichtel // Applied soil ecology. — 2019. — No. 143. — P.45–54. Doi: org/10.1016/j.apsoil.2019.05.023.
8. Analysis of the potential associated with the siderophores synthesis in the Bacillus subtilis strain using whole genome sequencing / T. Dunyashev, G. Laptev, E. Yildirim, L. Ilina, V. Filippova, D. Tiurina, A. Dubrovin, N. Tarlavin, S. Bikonya, E. Brazhnik, V. Melikidy, A. Platonov // Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East. Agricultural Innovation Systems. — Ussuriysk, 2022. — Vol. 2. — P.663–669. Doi: org/10.1007/978-3-030-91405-9_73.
9. Bacillus megaterium rhizobacteria promote growth and alter root-system architecture through an auxin-and ethylene-independent signaling mechanism in Arabidopsis thaliana / J. López-Bucio, J. C. Campos-Cuevas, E. Hernández-Calderón, C. Velásquez-Becerra, R. Farías-Rodríguez, L. I. Macías-Rodríguez, E. Valencia-Cantero // Molecular Plant-Microbe Interactions. — 2007. — No. 20 (2). — P.207–217. Doi: org/10.1094/MPMI-20-2-0207.
10. Castro R. O. Plant growth promotion by Bacillus megaterium involves cytokinin signaling / R. O. Castro, E. V. Cantero, J. L. Bucio // Plant Signal Behav. — 2008. — No. 3 (4). — P.263–265. Doi: org/10.4161/psb.3.4.5204.
11. Characterization of polyvalent and safe Bacillus thuringiensis strains with potential use for biocontrol / N. Raddadi, A. Belaouis, I. Tamagnini, B. M. Hansen, N. B. Hendriksen, A. Boudabous, A. Cherif, D. Daffonchio // Journal of basic microbiology. — 2009. — No. 49 (3). — Р.293–303. Doi: org/10.1002/jobm.200800182.
12. Bacillus methylotrophicus M4-96 isolated from maize (Zea mays) rhizoplane increases growth and auxin content in Arabidopsis thaliana via emission of volatiles / P. Pérez-Flores, E. Valencia-Cantero, J. Altamirano-Hernández, R. Pelagio-Flores, J. López-Bucio, P. García-Juárez, L. Macías-Rodríguez // Protoplasma. — 2017. — No. 254 (6). — P.2201–2213. Doi: org/10.1007/s00709-017-1109-9
13. Sansinenea E. Bacillus spp.: as plant growth-promoting bacteria // Secondary metabolites of plant growth promoting rhizomicroorganisms. — 2019. — P.225–237.