Symbiotic Activity of Lupin when Adding Zoohumus to the Substrate

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The aim of the work was to study the effect of various fertilization technologies on the processes of growth, synthesis of photosynthetic pigments, nodule formation and the dynamics of changes in their nitrogenase activity in different varieties of lupine (white and narrow-leaved). The emphasis in the work was shifted to the additional positive effect obtained from the introduction of a liquid extract of black soldier fly zoohumus (Hermetia illucens) into the lupine-rhizobial agrocenosis. According to the biomass indicators, it was found that narrow-leaved lupine was more responsive to the organo-microbial effect, the increase in which, on average, by variants amounted to 36%, compared to the control. On white lupine, it reached only 9%. It should be noted that in terms of vegetative biomass accumulation, white lupine prevailed over narrow-leaved lupine in all experimental variants by an average of 3 times. However, with a relatively small increase in weight, narrow-leaved lupine showed an increased synthesis of total chlorophyll. On average, the increase in it from the effect of the organomicrobial consortium was 19%. Regarding the values of symbiotic activity, a positive effect of zoohumus was recorded against the background of inoculation, which was reflected in an increase in the number, weight and nitrogenase activity of formed nodules in the vegetation phases. A direct correlation was found between these indicators. The highest peak in fixation for both species occurred at the budding phase, amounting to 17 059 C2H4 /g–1 h–1 nmol for white lupine and 2719 C2H4 /g–1 h–1 for narrow-leaved lupine. As both lupine species matured, the number of nodules decreased and the process of symbiotic nitrogen fixation decreased. The results obtained indicate a positive effect of H. illucens zoohumus on the studied indicators and allow us to recommend the use of its liquid extracts in lupine cultivation.

Full Text

По литературным данным род Lupinus L. включает от 100 до 1000 видов, отличающихся большим разнообразием. В России интерес к их возделыванию возник в конце девяностых годов прошлого столетия. [5]

Все виды люпина, в особенности белого (Lupinus albus), способны расти на относительно бедных почвах. Из-за высокосинхронной, скоординированной экспрессии генов у растений происходит разрастание корневых кластеров. [5, 13, 14, 16, 18] Они увеличивают контактную площадь соприкосновения корней с ризосферой, а также повышают выделение органических кислот (экзометаболиты), которые меняют кислотность прикорневой зоны до pH=6,0, активизируя действие фосфатмобилизующих бактерий и способствуя лучшему использованию данного элемента из субстрата. [11, 17] Кроме того, низкое плодородие почв стимулирует симбиотическую активность растений, что сводит к минимуму ингибирующее воздействие недостатка в азоте. [9] Дополнительная предпосевная инокуляция семян эффективными штаммами клубеньковых ризобактерий рода Bradyrhizobium благоприятно сказывается на данном процессе. [12, 15] Косвенными показателями улучшения симбиотической эффективности полученного бобово-ризобиального симбиоза служат повышение интенсивности образования клубеньков и нитрогеназной активности. По мнению И.А. Тихоновича и Н.А. Проворова наиболее активно фиксация молекулярного азота происходит в том случае, если она сопряжена с фотосинтезом. У детерминантных сортов значения данных показателей достигают максимального уровня к началу бутонизации, постепенно снижаются к фазе цветения и резко нивелируются при созревании, когда действие внесенных ризобий заканчивается в связи со сформированным потенциальным урожаем. Для сохранности внесенного бактериального компонента часто применяют органические добавки в виде суспензий, содержащих гуминовые кислоты, служащие дополнительным источником питания и стабилизатором концентрации инокулянта в среде. Растение имеет от 20 до 40% неиспользованного потенциала, который можно реализовать с помощью внесения регуляторов роста.

В Центральном Нечерноземье и северных регионах, помимо люпина белого, все большую популярность к возделыванию набирает люпин узколистный (Lupinus angustifolius). [8] В 2016 году в севообороте страны он занимал второе место. [3] Вид – более устойчивый к антракнозу и толерантен к кислым почвам. Комплексные работы по созданию его высокопродуктивных сортов в России начаты лишь с конца прошлого столетия. [1, 7] Вследствие отсутствия ветвления детерминантные сорта не выдерживают конкуренции с сорным компонентом агроценоза. [6] Поэтому для оптимизации питания и адаптации симбиосистем на его основе к условиям региона также внедряют приемы помощи растениям по выходу их из стресса, путем обработки посевов ростостимулирующими биопрепаратами и органическими удобрениями, содержащими макро- и микроэлементы в легкодоступной (хелатная) форме. [10]

В условиях биологизации земледелия для люпиносеяния и других бобовых культур идет постоянный поиск новых источников органического сырья. Среди современных удобрений можно выделить зоогумус – вторичный продукт, получаемый в результате жизнедеятельности насекомых черной львинки (Hermetia illucens), в процессе переработки ими отходов 3…4 класса опасности. По содержанию биогенных элементов и органического вещества продукт не уступает сухому птичьему помету и вермикомпосту. При этом экспериментов с его участием на сельскохозяйственных культурах недостаточно.

Цель работы – изучение влияние жидкого экстракта зоогумуса на формирование параметров люпино-ризобиальной симбиосистемы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования – люпин белый Дега и узколистный Орловский. Растения выращивали в закрытом грунте на площади 1,5×3,0×3,0 м при температуре воздуха 28°C и влажности 60%. Источник освещения – две современные LED-панели по 550 Вт (1100 Вт на бокс) с возможностью диммирования (LEDForPlant, Россия), обеспечивающие уровень досветки 36 800 Лк или 551,7 ммоль/м2/с ФАР. Фотопериод – 16 ч/8 ч (день/ ночь).

Почва – залежная дерново-подзолистая слабоокультуренная, отобранная из пахотного горизонта вблизи деревни Куйдузи (Гатчинский район, Ленинградская обл.), характеризуется слабой обеспеченностью фосфором (18 мг/кг сухой почвы) и средней калием (52 мг/кг сухой почвы), определенных по методу Кирсанова (ГОСТ 26207-91). Содержание гумуса по Тюрину (ГОСТ 26213-91) – 1,41%, рНКCI – 5,5 (ГОСТ 26483-85).

Семена (четыре штуки) высевали в сосуды Митчерлиха с массой абсолютно сухой почвы 5 кг по классической методике закладки вегетационного опыта. [4] Для инокуляции семян использовали селекционный штамм Bradyrhizobium lupini (ФГБГУ ВНИИСХМ, г. Санкт-Петербург). В варианте с дополнительной добавкой зоогумуса брали 0,2% (2000 ppm) экстракт с нейтральной реакцией среды. Органическую добавку вносили в почву однократно при посеве инокулированных семян. Влажность субстрата (60% общей влагоемкости) на протяжении всего периода вегетации поддерживали весовым методом прикорневым поливом фильтрованной водой через сутки. В контроле растения выращивали без инокуляции и органики на фильтрованной воде. Повторность по вариантам – двенадцатикратная. В фазах бутонизации (55 сут.), цветения (63 сут.) и начала технической спелости (82 сут.) анализировали морфометрические и физиологические показатели зеленой биомассы симбиосистемы. Корни взвешивали отдельно. Для этого из опыта каждый раз изымали по четыре сосуда. Общий срок вегетации – 82 сут.

Динамику изменения нитрогеназной активности в клубеньках люпина измеряли ацетиленредуктазным методом на цельных корневых системах с помощью газового хроматографа GC-2014 (Shimadzu, Япония), оснащенного насадочными колонками, заполненными сорбентом АСМ и пламенно-ионизационным детектором нового поколения, обеспечивающим надежный и высокоточный анализ следовых количеств веществ. [2] Инертный газ-носитель – азот. При подготовке к анализу интактные корни помещали в стеклянные сосуды на 100 мл, далее в каждый сосуд шприцом вводили по 10 мл ацетилена и инкубировали в термостате в течение часа при 28°С. Полученные данные на хроматограмме выражали в нМ образующегося этилена (C2H4) на единицу сырого веса отделенных после анализа клубеньков (г) в единицу времени инкубации (ч), подсчитывали количество клубеньков, сформировавшихся на корнях растений в каждой фазе вегетации культуры.

Содержание общего хлорофилла в листьях измеряли в конце эксперимента фотоколориметрически на спектрофотометре UV-2700 (Shimadzu, Япония) при длинах волн 663 (OD 663 ) и 645 нм (OD 645 ) согласно РД 52.24.784-2013, ГОСТ 17.1.4.02-90. Для этого смешанную аликвоту 1,0 г сырой навески экстрагировали в темноте при комнатной температуре в течение 24 ч в 10 мл 80% аммиачного ацетона. Приготовленный гомогенат центрифугировали (4000 об/мин) 10 мин. (модель Sigma 2-6) и фильтровали. Супернатант переливали в колбу на 25 мл, доводили до метки 80% ацетоном и в полученной жидкости определяли содержание фотосинтетических пигментов (мг хлорофилла/100 г образца).

Экспериментальные данные обрабатывали с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2016.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что положительный эффект от применения инокуляции семян и внесения органических удобрений начал проявляться с начальных фаз развития обоих сортов люпина и сохранялся до момента съема опыта. В динамике роста и развития сухая биомасса растений непрерывно нарастала. Закономерно, что минимальные показатели накопления сухого вещества зафиксированы в контроле, в среднем по трем изученным фазам вегетации инокуляция увеличивала массу воздушно-сухого вещества у узколистного люпина на 40%. Для белого люпина повышение веса было несущественным – 6% к контролю. Дополнительное обогащение симбиосистемы узколистного люпина органикой не сказалось на его весе, тогда как в агробиоценозе люпина белого привело к прибавке в массе на 5%. Наибольшая прибавка в весе для обоих видов отмечена в фазе бутонизации (рис. 1).

 

Рис. 1. Влияние суспензии зоогумуса на динамику изменения морфометрических показателей люпино-ризобиального симбиоза по вариантам опыта.

 

По накоплению зеленой биомассы белый люпин во всех вариантах за вегетацию превосходил узколистный в среднем в три раза.

Оценка высоты побегов показала, что внесение зоогумуса и биопрепарата также инициировало линейный рост растений. Наибольшие показатели были на органо-микробном фоне. Под конец вегетации оба вида достигли высоты 50 см, что на 17% превышало значения контрольных растений люпина узколистного и 6% белого.

Важный биологический критерий при отборе высокоурожайных сортов для их дальнейшей селекции – отношение биометрических значений корня к стеблю. Поэтому дополнительно производили учет веса корней. Вариация биомассы побегов у бобовых в разных фазах вегетации была высокой, масса корней – постоянной. Наибольшие их значения сохранялись на протяжении всего эксперимента в варианте с внесением органики и бактерий.

Поскольку почву предварительно не стерилизовали, чтобы не изменять ее физических свойств, в контроле на корнях наблюдали появление небольшого числа клубеньков (см. таблицу). Однако фиксированный ими этилен не учитывали в расчетах и приравнивали к эндогенному. Наибольшее количество клубеньков для обоих видов отмечено с органо-микробным фоном. Причем после цветения по мере перехода растения к формированию плодов, их количество резко снижалось. Так как важный показатель азотфиксирующей способности люпина – масса клубеньков, учет наибольшего ее значения прямо коррелировал с их количеством и показал высокий результат в варианте с органо-микробным консорциумом.

 

Влияние зоогумуса на массу и количество клубеньков люпина

Вариант

Люпин узколистный

Люпин белый

сутки

55-е

63-и

82-е

55-е

63-и

82-е

 

Масса клубеньков, г/раст.

Контроль

0,02

0,03

0,03

0,01

0,04

0,05

Суспензия B. lupini

0,44

0,33

0,22

0,58

0,28

0,12

Суспензия B. lupini + 0,2% суспензия зоогумуса

0,58

0,44

0,18

0,57

0,47

0,19

 

Количество клубеньков, ед/раст.

Контроль

2,0

4,0

4,0

3,0

5,0

6,0

Суспензия B. lupini

52,0

39,0

26,0

64,0

31,0

13,0

Суспензия B. lupini + 0,2% суспензия зоогумуса

69,0

53,0

22,0

56,0

47,0

19,0

 

Изучение симбиотических показателей люпина свидетельствует о стимулирующем влиянии экспериментальных препаратов (рис. 2). Удобрения обеспечили интенсификацию процесса накопления азота в клубеньках. В варианте с дополнительным внесением зоогумуса показатели были немного выше. Наибольший пик в фиксации – во время бутонизации. По показателям лидировал люпин белый.

 

 

Рис. 2. Влияние суспензии зоогумуса на нитрогеназную активность люпино-ризобиального симбиоза по фазам вегетации.

 

Оценка показателей фотосинтетической деятельности листового аппарата растений люпина узколистного под конец вегетации показала, что несмотря на существенный уровень увеличения веса зеленой биомассы, в варианте с органикой и биопрепаратом, по сравнению с контролем, значения накопления общего хлорофилла во всех вариантах были равнозначны (рис. 3).

 

Рис. 3. Влияние суспензии зоогумуса на содержание общего хлорофилла в листьях люпино-ризобиальной симбиосистемы в конце опыта.

 

На белом люпине прибавка от действия инокулянта составила 16 и 22% с дополнительной добавкой зоогумуса. Можно сделать предположение, что для активации работы фотосинтетического аппарата и повышенного синтеза общего хлорофилла у сорта Дега при данных условиях питательно режима и уровня освещения не потребовался дополнительный набор в весе.

Выводы. Биомасса растений считается одним из наиболее важных и надежных критериев оценки продуктивности формируемого урожая сельскохозяйственных культур. С усилением питания ее увеличение наблюдалось лишь на люпине белом. В целом по оценке морфометрических параметров растений, по сравнению с контролем, люпин узколистный оказался более отзывчивым на органо-микробное воздействие под конец вегетации. Вес побега вырос на 36%. Повышение качества получаемой биомассы отмечено у обоих видов.

Разрастание корневой системы в варианте с органо-микробным фоном указывает на улучшение питательного режима и водопотребления растений. Увеличение контактной площади сопряжено с ростом числа клубеньков и нитрогеназной активности, которое связано с повышением синтеза фотосинтетических пигментов.

Таким образом, обработка семян бактериальным препаратом штамма B. lupini перед посевом и дополнительное внесение органического удобрения в виде экстрактов зоогумуса H. illucens в субстрат позволяет достигнуть максимального уровня функционирования симбиотического аппарата растений люпина, режима питания, а также повышения его физиологической активности и нормы урожая.

×

About the authors

S. I. Loskutov

All-Russian Research Institute of Food Additives – a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova

Email: puhalskyyan@gmail.com

PhD in Agricultural Sciences, Head of the Laboratory of Industrial Biotechnological Innovation

Russian Federation, Saint Petersburg

Ya. V. Pukhalsky

All-Russian Research Institute of Food Additives – a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova

Author for correspondence.
Email: puhalskyyan@gmail.com

Researcher

Russian Federation, Saint Petersburg

A. I. Osipov

Agrophysical Institute of the Russian Academy of Agricultural Sciences

Email: puhalskyyan@gmail.com

Grand PhD in Agricultural Sciences, Professor, Chief Researcher

Russian Federation, Saint Petersburg

A. I. Yakubovskaya

Research Institute of Agriculture of Crimea

Email: puhalskyyan@gmail.com

PhD in Biological Sciences

Russian Federation, Simferopol

D. D. Meshcheryakov

Led for Plant

Email: puhalskyyan@gmail.com

Research Engineer

Russian Federation, Krasnoyarsk

I. A. Kameneva

Research Institute of Agriculture of Crimea

Email: puhalskyyan@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

References

  1. Ageeva P.A., Pochutina N.L. Realizaciya biologicheskogo potenciala kul’tury uzkolistnogo lyupina selekcionnym putem // Kormoproizvodstvo. 2005. № 6. S. 6–8.
  2. Alisova S.M., Chunderova S.M. Metodicheskie ukazaniya po ispol’zovaniyu acetilenovogo metoda pri selekcii bobovyh kul’tur na povyshenie azotfiksacii. L., 1982. 11 s.
  3. Artyuhov A.I., Lukashevich M.I., Ageeva P.A., Novik N.V. Lyupin – selekciya i adaptaciya v agrolandshafty Rossii // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. № 59. S. 51–60.
  4. Dospekhov V.A. Metodika polevogo opyta s osnovami statisticheskoj obrabotki rezul’tatov issledovanij. M.: Agropromizdat, 1985. 351 s.
  5. Kononov A.S. Lyupin: tekhnologiya vozdelyvaniya v Rossii. Bryansk, 2003. 211 s.
  6. Kononchuk V.V., Nikitochkin D.N., Timoshenko S.M. i dr. Zernovaya produktivnost’ i azotfiksiruyushchaya sposobnost’ lyupina uzkolistnogo v zavisimosti ot norm vyseva, udobrenij i primeneniya gerbicidov pri raznyh pogodnyh usloviyah v centre nechernozemnoj zony Rossii // Zernobobovye i krupyanye kul’tury. 2021. № 2 (38). S. 104–114. https://doi.org/10.24412/2309-348X-2021-2-104-114
  7. Kupcov N.S., Mironova G.P. Selekciya sladkih sortov – ocherednoj etap uzkolistnogo lyupina // Kormoproizvodstvo. 2005. № 6. S. 8–10.
  8. Orlova A.G., Rapina O.G. Sravnitel’naya produktivnost’ razlichnyh sortov lyupina belogo v usloviyah Leningradskoj oblasti // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019. № 57. S. 17–22. https://doi.org/10.24411/2078-1318-2019-14017
  9. Parahin N.V., Petrova S.N. Sel’skohozyajstvennye aspekty simbioticheskoj azotfiksacii. M.: Kolos, 2006. 151 s.
  10. Persikova T.F., Radkevich M.L. Vliyanie mikroelementov, regulyatorov rosta rastenij i bakterial’nyh udobrenij na pokazateli struktury urozhajnosti lyupina uzkolistnogo // Vestnik Belorusskoj gosudarstvennoj sel’skohozyajstvennoj akademii. 2017. № 2. S. 37–40.
  11. Cygutkin A.S., Blinnikova V.D., Kaufman A.L. i dr. Ob optimal’nom znachenii kislotnosti rastvora pri prorastanii semyan belogo lyupina (Lupinus albus L.) // Prirodoobustrojstvo. 2016. № 1. S. 91–97.
  12. Fernández-Pascual M., Pueyo J.J., de Felipe M.R. et al. Singular Features of the Bradyrhizobium-Lupinus Symbiosis // Dynamic Soil, Dynamic Plant. 2007. No. 1. P. 1–16.
  13. Lambers H., Shane M.W., Cramer M.D. et al. Root structure and functioning for efficient acquisition of phosphorus: Matching morphological and physiological traits // Annals of Botany. 2006. No. 98. P. 693–713. https://doi.org/10.1093/aob/mcl114
  14. Neumann G., Massonneau A., Langlade N. et al. Physiological aspects of cluster root function and development in phosphorus-deficient white lupin (Lupinus albus L.) // Annals of Botany. 2000. No. 85. P. 909–919. https://doi.org/10.1006/anbo.2000.1135
  15. Peix A., Ramírez-Bahena M.H., Flores-Félix J.D. et al. Revision of the taxonomic status of the species Rhizobium lupini and reclassification as Bradyrhizobium lupini comb. nov // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2015. 65 (Pt 4). P. 1213–1219. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000082.
  16. Pueyo J.J., Quiñones M.A., Coba de la Peña T. et al. Nitrogen and Phosphorus Interplay in Lupin Root Nodules and Cluster Roots // Frontiers in Plant Science. 2021. No. 12. 644218. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.644218
  17. Schulze J., Temple G., Temple S.J. et al. Nitrogen Fixation by White Lupin under Phosphorus Deficiency // Annals of Botany. 2006. 98(4). P. 731–740. https://doi.org/10.1093/aob/mcl154
  18. Wang X., Ding W., Lambers H. Nodulation promotes cluster-root formation in Lupinus albus under low phosphorus conditions // Plant and Soil. 2019. No. 439. P. 233–242. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3638-1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Influence of zoogumus suspension on the dynamics of changes in morphometric indices of lupine-rhizobial symbiosis by experiment variants.

Download (347KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Effect of zoogumus suspension on nitrogenase activity of lupine-rhizobial symbiosis by vegetation phases.

Download (98KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Effect of zoogumus suspension on the content of total chlorophyll in leaves of lupine-rhizobial symbiosystem at the end of the experiment.

Download (92KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.