АГРОХИМИЯ, 2014, № 1, с. 62-70
Агроэкология
УДК 579.64:631.46:632.154:581.14
ВЛИЯНИЕ ИНОКУЛЯЦИИ ГОРОХА ЭНДОФИТНЫМИ БАКТЕРИЯМИ, УТИЛИЗИРУЮЩИМИ 2,4-Д, НА РОСТ РАСТЕНИЙ*
© 2014 г. С.Р. Гарипова, А.А. Федорова
Башкирский государственный университет 450076 Уфа, ул. Заки Валиди, 32, Россия E-mail: garisveta@rambler.ru
Поступила в редакцию 10.07.2013 г.
Проверена способность природных изолятов эндофитных бактерий, выделенных из корней и клубеньков растений фасоли и гороха, а также коллекционной культуры Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli 2630 к биоконверсии широко распространенного в практике сельского хозяйства гербицида 2,4-Д. Показано, что 14 из 26 культур бактерий утилизировали гербицид, используя его как единственный источник углерода. Наиболее активные деструкторы гербицида относились к группе псевдомонад. В условиях модельного опыта оценена фиторегуляторная активность двух отобранных по способности к биодеструкции 2,4-Д штаммов Ps16 и Ent16 на фоне различных концентраций гербицида: близкой к ПДК и в 10 раз ее превышающей. Результаты показали, что при высокой концентрации (1.1 мг/л) гербицида 2,4-Д inplanta штамм Pseudomonas sp. Ps16 обеспечил увеличение роста корней в 2.2 и 2.4 раза у 2-х изученных сортов гороха, штамм Ent16 стимулировал рост корня на 55% при невысокой (0.1 мг/л) концентрации гербицида. Использование эндофитных бактерий, утилизирующих 2,4-Д, в качестве основы биопрепаратов для биоконверсии остаточных количеств гербицида в почве и растениях отвечает интересам агроэкологической безопасности, но вызывает вопрос о связи устойчивости к гербицидам сорных растений с активностью симбиотически связанных с ними эндофитных бактерий.
Ключевые слова: инокуляция, горох, утилизирующие 2,4-Д эндофитные бактерии, рост растений.
ВВЕДЕНИЕ
Применение средств защиты растений является необходимым элементом современного аграрного производства. Наряду с очевидным положительным эффектом агрохимикатов в повышении урожая сельскохозяйственных культур хорошо известны и отрицательные последствия их широкого применения, среди которых можно выделить: глобальную миграцию пестицидов, в том числе по трофическим цепям; непосредственное воздействие на человека и через продукты питания; развитие резистентности у вредных организмов и ряд других [1].
Наибольшую долю всех пестицидов, поставленных в различные регионы Российской Федерации в 2010 г., составила 2,4-дихлорфеноксиуксус-ная кислота или ее соли (2,4-Д) в виде различных
* Работа выполнена при частичной поддержке Госконтрактом 14.512.11.0077 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ.
препаратов - >100 т действующего вещества в отдельных регионах страны [2]. В мировой практике 2,4-Д - также один из самых распространенных гербицидов. В частности, в США в аграрном производстве в 2007 г. в единицах активного вещества его было внесено 11-13 тыс. т [3]. Этот гербицид применяется для контроля однолетних и многолетних широколиственных сорняков. Соли 2,4-Д легко адсорбируются корнями растений и переносятся в меристему корня и побега. Там 2,4-Д действует как растительный гормон, вызывая неконтролируемый рост меристематических тканей. В этих тканях он ингибирует синтез ДНК и белков и таким образом препятствует нормальному росту и развитию растения. Максимальные дозы внесения составляют 300-1750 мг/кг почвы в зависимости от обрабатываемой культуры. Подвижность 2,4-Д в почве часто приводит к загрязнению поверхностных и грунтовых вод, превышающему разрешенные уровни [4]. В почве 2,4-Д обычно разрушается в течение нескольких суток под действием как абиотических, так и биотических
механизмов. Однако есть сообщения о высоких уровнях остаточных количеств 2,4-Д (0.62 мг/кг, или 2% от примененного) в течение длительных периодов времени [5]. Хотя гербицид 2,4-Д обладает низкой персистентностью, он может сохраняться в почве из-за отсутствия микроорганизмов с соответствующими катаболитическими путями или с недостаточной их активностью [6].
Исследования, проведенные на территории Республики Башкортостан, выявили широкое распространение гербицида 2,4-Д в почвах пахотных и луговых угодий. Интересен факт обнаружения высокого (2 ПДК) содержания гербицида в огородной почве, на которой бессменно возделывали картофель без применения пестицида, а навоз вносили ежегодно в больших дозах (10-15 т/га) [7]. Очевидно, в вегетативной массе поедаемых скотом растений количество гербицида превышало его содержание в почве, соответственно биоаккумуляция 2,4-Д обусловила повторное загрязнение почвы гербицидом при внесении навоза. Согласно данным мониторинга пестицидов в объектах природной среды Российской Федерации в 2010 г. [2], содержание гербицидов группы 2,4-Д (2-й класс опасности) в отдельных хозяйствах Республики Башкортостан и Белгородской обл. превысило нормативные величины соответственно в 3 и 5 раз. Учитывая, что в проведенном обследовании почв было охвачено не более 200 хозяйств России, кроме того, мало изученными являются почвы, прилегающие к местам хранения агрохи-микатов с истекшим сроком годности, проблема обеспечения агроэкологической безопасности от возможного присутствия пестицидов в почвах и растительной массе является актуальной.
Естественная деградация остаточных количеств гербицидов в почве может происходить как путем самораспада химических соединений под влиянием условий внешней среды, так и с участием почвенных микроорганизмов, обладающих соответствующими ферментными системами [8-10]. В настоящее время для реабилитации загрязненных 2,4-Д почв используют химические антидоты: нафталевый ангидрид, сульфамиды; применяют индукторы устойчивости растений, стимулирующие адаптивные возможности растений, и сорбенты, связывающие поллютанты [11]. Вместе с тем весьма перспективной представляется разработка биологического способа снижения фи-тотоксичности загрязненных гербицидами почв.
В последнее десятилетие большой научный и практический интерес вызывают эндофитные бактерии, бессимптомно живущие в симбиозе с растениями [12-14] и выполняющее важные для хозяина функции: азотфиксации [15-18],
продукции рострегулирующих веществ [19-23], участия в защитных реакциях растений против фитопатогенов [24-27], защиты от абиотических стрессов и загрязнения окружающей среды [28, 29]. Поскольку эндофитные бактерии, как и другие прокариоты, способны разлагать ксенобиотики [30-33], возникает возможность использовать инокуляцию ими растений в качестве нового способа удаления остаточных количеств пестицидов, попавших в ткани растений. Как было отмечено в [34], для загрязнителей, легко растворимых в воде, высока вероятность того, что они окажутся в тканях растений, а значит эндофитные бактерии, утилизирующие данные вещества, будут иметь преимущество по сравнению с ризосферными в способности довести разложение этих соединений до углекислого газа и воды. В случае полного разложения ксенобиотиков с помощью эндофитов можно решать задачу биоремедиации почв агроэкосистем, одновременно обеспечивая агроэкологическую безопасность сельскохозяйственной продукции.
Хотя способность к обезвреживанию поллю-тантов характерна как для эндофитных [35], так и для свободноживущих бактерий [36], было показано, что в присутствии токсикантов кодирующие деградацию соответствующих химических веществ гены встречались в эндофитных бактериях в несколько раз чаще, чем в бактериях, выделенных из почвы и донных отложений [37]. Это свойство зависит от вида растения, типа поллютанта, анализируемых генов и субстрата, на котором растут растения [38]. Среди эндофитных бактерий обнаружены штаммы, утилизирующие гербицид 2,4-Д [39]. Это открывает перспективу использования таких бактерий для снижения фитотоксич-ности почв и выращивания на них экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Ранее в работе авторов был проведен скрининг ассоциаций эндофитных бактерий для повышения продуктивности бобовых растений в полевых условиях [40]. Однако свойство разлагать молекулы гербицида для использования их с целью фиторемедиации не исследовали. В связи с этим была поставлена цель - изучить способность коллекционных эндофитных бактерий к биоконверсии 2,4-Д и их влияние на рост растений гороха в присутствии гербицида.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования служили 2 коллекции эндофитных бактерий (табл. 1). Одна коллекция бактерий представляла собой выделенные на бобовый агар изоляты клубеньков растений го-
Таблица 1. Характеристика бактерий, использованных в опыте
Ассоциация Штамм Среда выделе- Таксономическая при- Источник выделения или источник
ния надлежность получения штамма
2630 Rhizobium leguminosarum bv. viceae Национальная коллекция непатогенных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения, ВНИИСХМ
Ф4 411, 412 БА Bacillus sp. Клубеньки растений фасоли
Rh420 БА Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli
Ф5 511, 512, 513, 521,522 БА Bacillus sp.
Rh530 БА Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli То же
Ф6 610,622 БА Bacillus sp.
Rh62^ БА Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli
Ч16 Ps16 БА Pseudomonas sp. Клубеньки гороха
Ent16 БА Serratia sp.
— 17с, 17п, 8п ССП Представители Pseudomonadceae То же
— 2ш, 6ш, 16ш, 17ш ССП Представители Pseudomonadceae Прикорневая шейка гороха
14к ССП Представители Pseudomonadceae Корни гороха
Примечание. БА - бобовый агар, ССП - селективная среда для псевдомонад.
роха (Ч16) и фасоли (Ф4, Ф5, Ф6), выросших в поле без применения гербицидов. Процедура их скрининга и свойства при инокуляции растений в полевых условиях были описаны ранее [40]. Изоляты клубеньков представляли собой смесь различных штаммов: из ассоциации гороха Ч16 были выделены и изучены штаммы Serratia sp. Ent16 и Pseudomonas sp. Ps16 [41]; из ассоциаций клубеньков фасоли Ф4, Ф5 и Ф6 были изолированы 13 штаммов. На основе морфолого-культу-ральных свойств [42] было определено, что 10 из них относились к роду Bacillus (411, 412, 413, 511, 512, 516, 521, 522, 610, 622) и 3 - к Rhizobium leguminosarum (Rh420, Rh530, Rh62^). Вторую коллекцию бактерий составили штаммы, выделенные на селективную среду для псевдомона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.