DOI: 10.24411/2309-348X-2020-11166 УДК 579.2:577.1:635.65
ВЛИЯНИЕ КОРНЕВИНА И РИЗОТОРФИНА НА ГОРМОНАЛЬНЫЙ СТАТУС И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИМБИОТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЙ ФАСОЛИ
О.Г. ВОЛОБУЕВА, кандидат биологических наук
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - МОСКОВСКАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ К.А.ТИМИРЯЗЕВА
В условиях полевого опыта с растениями фасоли сортов Гелиада и Шоколадница изучено влияние обработки семян этих растений препаратами Корневин и Ризоторфин на содержание и соотношение фитогормонов в листьях, стеблях и корнях с клубеньками в фазу бутонизации-начала цветения (период наиболее активной азотфиксирующей активности у фасоли), на эффективность симбиоза. Установлена взаимосвязь между содержанием и соотношением фитогормонов и показателями ультраструктуры клубеньков и азотфиксирующей активности бобовых растений. Выявлено, что наиболее отзывчивым на действие Корневина оказался сорт Гелиада. Обработка семян растений этого сорта приводила к увеличению площади бактероидов и снижению площади и числа включений поли-Р-оксимасляной кислоты (ПОМ), на фоне увеличения ауксинов в листьях и стеблях, цитокининов в листьях и корнях с клубеньками, гиббереллинов в стеблях и корнях с клубеньками и снижениия абсцизовой кислоты (АБК) в стеблях и корнях с клубеньками. Наиболее отзывчивым на действие Ризоторфина оказался сорт Шоколадница. Обработка семян этого сорта Ризоторфином приводила к повышению азотфиксирующей активности в клубеньках на фоне увеличения площади и количества бактероидов, включений волютина, при минимальном количестве включений ПОМ, на фоне увеличения цитокининов во всех вегетативных органах растений.
INFLUENCE OF KORNEVIN AND RHIZOTORFIN ON THE HORMONAL STATUS AND EFFECTIVENESS OF THE BEAN SYMBIOTIC SYSTEM
O.G. Volobueva
THE RUSSIAN STATE AGRARIAN UNIVERSITY - RSAU - K.A. TIMIRYAZEV MAA
Abstract: In condition of field experiment with a bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivar Heliada and Shokoladnitsa was studied the effect of seed treatment with the biopreparation based on root nodule bacteria Rhizotorfin and growth regulator Kornevin on the content and ratio of phytohormones in leaves, stems and roots with nodules during the budding-beginning of flowering phase (the period of the most active nitrogen-fixing activity in beans) and the symbiosis efficiency. Interrelation between indicators and indicators of ultrastructure of tubers and nitrogen-fixing activity of leguminous plants are established. It was established that the most responsive to the treatment of Kornevin was the Heliada variety. The treatment of Heliada seeds led to an increase in the area of bacteroids and a decrease in the area and number of inclusions of poly-fi-hydroxybutyric acid (PHB), against the background of an increase in auxins in leaves and stems, cytokinins in leaves and roots with nodules, gibberellins in stems and roots with nodules and lower ABA in stems and roots with nodules. The most responsive to the treatment of Rizotorfin was the variety Shokoladnitsa. The treatment of Shokoladnitsa seeds with Rhizotorfin led to an increase in nitrogen-fixing activity in nodules against the background of an increase in the area and number of
bacteroids, volutin inclusions, with a minimum number of PHB inclusions, against the background of an increase in cytokinins in all vegetative organs ofplants.
В последние годы происходит поворот в сторону более глубокого изучения роли фитогормонов в сложных динамических системах «микроорганизм-симбионт - растение-хозяин» и выяснение природы и характера взаимодействия микро- и макроорганизма [1, 2]. Формирование бобово-ризобиального симбиоза обусловлено специфическими механизмами сигнальных взаимодействий и взаимной метаболической интеграции геномов ризобий и бобового растения [3, 4]. Использование биопрепаратов и регуляторов роста может быть высокоэффективным только на основе изучения уровня естественных гормонов в растительном организме [5]. При воздействии на растения экзогенными препаратами в них изменяется содержание и соотношение эндогенных гормонов [6, 7]. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, в котором анализируется содержание фитогормонов в растениях [8, 9, 10]. Однако гормональный статус бобового растения при симбиозе с клубеньковыми бактериями изучен недостаточно. В связи с чем, при симбиотических отношениях макро- и микросимбионта изучали влияние биопрепарата Ризоторфина и регулятора роста Корневина на содержание и соотношение эндогенных фитогормонов в листьях, стеблях и корнях с клубеньками растений фасоли сортов Гелиада и Шоколадница в фазу бутонизации-начала цветения (период наиболее активной азотфиксирующей активности у фасоли) и эффективность симбиотической системы.
Цель работы - изучение влияния предпосевной обработки семян фасоли сортов Гелиада и Шоколадница препаратами Корневин и Ризоторфин на содержание, соотношение фитогормонов в листьях, стеблях и корнях с клубеньками и эффективность симбиотической системы.
Материалы и методика исследований
Исследования проведены (2008-2009 гг.) в условиях полевого опыта ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур (Орловская область). Условия проведения опыта изложены ранее [11]. Объектами исследования были растения фасоли сортов Гелиада и Шоколадница. Семена растений замачивали в течение 3 ч в растворе Корневина в концентрации затем подсушивали, перед посевом обрабатывали Ризоторфином.
Варианты опыта: 1 - контроль, без обработки; 2 - обработка семян Ризоторфином; 3 -обработка семян Корневином на фоне инокуляции Ризоторфином. Повторность 4-кратная, расположение вариантов рендомезированное, площадь делянки 4-4,4 м2. Ризоторфин (Rhizobium leguminosarum bv.phaseoli, штамм 700) получен во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург, Пушкин). Регулятор роста Корневин - синтетический аналог ауксинов. Действующее вещество 4 (индолил-3) масляная кислота (ИМК) - в растении постепенно превращается в фитогормон гетероауксин. Содержание фитогормонов (индолилуксусная кислота (ИУК), цитокининов (ЦК) - по зеатину, абсцизовой кислоты (АБК) в листьях, стеблях и корнях с клубеньками определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) по методике, разработанной в лаборатории регуляторов роста и развития сельскохозяйственных растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (И.В. Скоробогатова и др., 1999). Биологическую активность ГК (гибберелловая кислота) определяли по росту гипокотилей салата сорта Берлинский, содержание - по калибровочной кривой, для построения которой использовали гибберелловую кислоту (Россия). Условия хроматографирования для определения фитогормонов были изложены ранее [12]. Содержание фитогормонов определяли в фазу бутонизации-начала цветения - период высокой азотфиксирующей активности у фасоли в Центре молекулярной биотехнологии РГАУ МСХ имени К.А. Тимирязева в 2012 году. Одновременно в эту фазу определяли: массу корней с клубеньками, массу и количество клубеньков и в них активность нитрогеназы по методике В.П. Орлова с соавторами(1984). Для электронно-микроскопических исследований
фиксацию клубеньков в глютаральдегиде проводили по методу Sabatini. Исследования проводили в Институте физиологии растений РАН в 2013 году. Срезы получали на ультрамикротоме «LKB-3» (LKB, Швеция), контрастировали 1%-ным цитратом свинца. Их просматривали под электронным микроскопом «TEMSCAN 100CX2» (JEOL, Япония). Морфометрические исследования электронно-микроскопических фотографий проводили на приборе «MOP-VIDEOPLAN» фирмы Reichert (Австрия), статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Statistica for Microsoft Windows.
Результаты исследований и их обсуждение Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что регулятор роста Корневин повышал содержание ауксинов в листьях (в 2,2 раза) и стеблях растений фасоли сорта Гелиада и снижал в корнях с клубеньками (в 2,5 раза). При анализе ответной реакции на экзогенную обработку регуляторами роста и биопрепаратами необходимо учитывать, что согласно закону действующих масс, внесение конечного продукта реакции тормозит его образование. Возможно, с этим связано уменьшение эндогенной ИУК в корнях с клубеньками при экзогенной обработке Корневином. У растений фасоли сорта Шоколадница содержание ИУК в листьях и корнях с клубеньками при обработке Корневином было на уровне с контролем. Содержание зеатина под влиянием Корневина на фоне инокуляции Ризоторфином повышалось в листьях (в 4,5 раза) и в корнях с клубеньками (в 7,5 раза) растений фасоли сорта Гелиада. Корневин на фоне инокуляции Ризоторфином повышал содержание гиббереллинов в стеблях (в 1,1 раз) растений фасоли сорта Гелиада и в стеблях и корнях с клубеньками растений фасоли сорта Шоколадница (в 6,3 и 6,1 раз соответственно). Под влиянием Корневина на фоне инокуляции Ризоторфином, содержание АБК повышалось в листьях (в 2,1 раз) и снижалось в стеблях и корнях с клубеньками растений фасоли сорта Гелиада. У растений фасоли сорта Шоколадница Корневин повысил содержание АБК в листьях (в 1,3 раза), не изменив в стеблях, но снизил в корнях с клубеньками (в 2,9 раза).
Таблица 1
Содержание фитогормонов (нг/на 1 г сырой массы) в растениях фасоли. 2012 г.
Вариант Органы растения Фитогормоны
ИУК Зеатин ГК АБК
Сорт Гелиада, Контроль листья 5,3±0.04 271,5±0,3 6,9±0,02 10,3±0,01
стебли 2,7±0,1 449,5±0,5 13,2±0,04 4,2±0,01
корни 13,3±0,2 217±0,4 22,1±0,03 20,6±0,02
Сорт Гелиада+ Ризоторфин листья 5,6±0,03 268,2±0,3 7,0±0,05 11,2±0,03
стебли 2,9±0,04 448.4±0,4 14,0±0,01 5,8±0,01
корни 14,2±0,1 219±0,2 24,5±0,03 22,4±0,05
Сорт Гелиада+ Корневин листья 11,7±0,2 223,2±0,5 2,1±0,01 22±0.04
стебли 5,3±0,05 387,5±0,3 15,1±0,02 3,2±0,01
корни 5,3±0,04 108,5±0,4 2,5±0,01 8,6±0,03
Сорт Шоколадница, Контроль листья 5,7±0,03 116,3±0,2 4,7±0,01 10,3±0,05
стебли 2,5±0,06 275±0,5 5,5±0,03 6,9±0,01
корни 13,2±0,2 31±0,05 4,7±0,01 10,3±0,04
Сорт Шоколадница+ Ризотофин листья 5,6±0,005 118,4±0,2 5,1±0,02 11,2±0,05
стебли 2.6±0,003 278±0,5 6,8±0,03 7,2±0,02
корни 14,4±0,2 42±0,3 5,3±0,02 12,3±0,05
Сорт Шоколадница+ Корневин листья 5,3±0,06 527±0,4 2,8±0,01 13,8±0,05
стебли 3,8±0,04 274±0,2 30,4±0,03 6,9±0,03
корни 13,2±0,3 232,5±0,5 28,8±0,02 6,9±0,02
Об эффективности симбиотической системы растений фасоли судили по показателям массы и количеству клубеньков, активности в них фермента нитрогеназы, ультраструктуры клубеньков. Анализ ультраструктуры клубеньков растений фасоли сортов Гелиада и
Шоколадница показал, что самая большая площадь бактероидов была у растений сорта Гелиада при обработке Корневином на фоне инокуляции Ризоторфином (табл. 2). Однако, количество бактероидов у растений этого сорта выше в варианте с обработкой Ризоторфином. У растений фасоли сорта Шоколадница наибольшая площадь и количество бактероидов отмечено в варианте с обработкой только биопрепаратом Ризоторфин. Анализируя ультраструктуру клубеньков, в ней было отмечено наличие таких структур, как включения волютина и гранулы поли- В-оксимасляной кислоты (ПОМ). Гранулы волютина при исследовании в электронном микроскопе выглядят как электроннопрозрачные, четко контурированные образования сферической или эллипсовидной формы, размером 300-700 А, располагающиеся терминально на одном или обоих полюсах клетки, могут находиться в зонах аккумуляции полисахаридов, и, если центрально или субтерминально -соответствовать ядерному расположению в предделении или делении клеток. Волютин рассматривается как запасное вещество, подобное крахмалу, гликогену, жиру, как резерв неорганических фосфатов. Основную часть волютиновых гранул составляют полифосфаты. Волютин служит запасным резервуаром фосфата, важного предшественника в синтезе АТФ и ДНК. ПОМ - запасное вещество, эндогенный накопитель энергии и углерода для прокариот. Обычно наличие этого эндогенного резерва определяет большую пластичность метаболизма ризобий в чистых культурах. Содержание ПОМ обычно в бактероидах незначительно именно тогда, когда клетки наиболее активно дышат и фиксируют азот, а значит потребность их в энергии и восстановленных эквивалентах особенно велика у аэробных бактерий, к которым относятся клубеньковые бактерии. В наших исследованиях у растений фасоли обоих сортов наибольшая площадь включений ПОМ и их количество отмечено в контроле. Наличие большого количества ПОМ свидетельствует о не высокой азотфиксации.
Таблица 2
Изменение ультраструктуры клубеньков растений фасоли сортов
Гелиада и Шоколадница. 2013 г._
Вариант\\Структура Бактероиды ПОМ Волютин
Гелиада, контроль 0,072±0,002 10,3±1,34 0,056±0,001 3,44±0,15 0,012±0,0003 5,46±0,34
Гелиада+Ризоторфин 0,091±0,003 23,56±2,28 0,033±0,002 1,62±0,08 0,014±0,0002 9,51±0,37
Гелиада+Корневин 0,58±0,027 11,4±1,49 0,021±0,001 2,48±0,14 0,012±0,0003 7,40±0,49
Шоколадница, контроль 0,32±0,026 12,8±1,94 0,067±0,002 2,3±0,07 0,012±0,0006 4,05±0,27
Шоколадница+Ризоторфин 0,56±0,028 24,70±1,93 0,023±0,001 1,09±0,06 0,33±0,0007 9,08±0,37
Шоколадница+Корневин 0,46±0,021 15,85±1,97 0,057±0,002 1,72±0,12 0,016±0,0005 6,10±0,22
Примечание: верхняя строка - площадь, мкм , нижняя строка - количество, шт
Анализ эффективности симбиотической системы растений фасоли сортов Гелиада и Шоколадница показал, что наивысшие показатели массы и количества клубеньков и активности в них нитрогеназы отмечены у растений сорта Гелиада при обработке Корневином на фоне инокуляции Ризоторфином (табл. 3). У сорта Шоколадница проявилось протекторное действие Ризоторфина. Наивысшие показатели массы клубеньков, нитрогеназной активности отмечены при обработке семян только Ризоторфином. При обработке им повышалась азотфиксирующая активность в клубеньках на фоне увеличения площади и количества бактероидов, включений волютина, минимального количества включений ПОМ, а также увеличения зеатина во всех вегетативных органах растений.
Таблица 3
Влияние Корневина и Ризоторфина на азотфиксирующую активность растений фасоли __сортов ^ Гелиада и Шоколадница__
Вариант Сорт Число Масса Активность
клубеньков на клубеньков на нитрогеназы
растение, шт. растение, мг мкг/Ы2 раст.час
Контроль Гелиада 6 ± 0,1 132 ± 0,4 3,56 ± 0,3
Шоколадница 21 ± 0,4 126 ± 0,2 4,21 ± 0,4
Ризоторфин Гелиада 18 ± 0,1 186 ± 0,7 5,62 ± 0,7
Шоколадница 26 ± 0,9 148 ± 0,1 19 ± 0,2
Корневин Гелиада 24 ± 0,7 204 ± 0,3 7,04 ± 0,2
Шоколадница 24 ± 0.9 168 ± 1,0 17,18 ± 0,2
Таким образом, в результате исследований установлена взаимосвязь между содержанием и соотношением фитогормонов, показателями ультраструктуры клубеньков и азотфиксирующей активности растений фасоли сортов Гелиада и Шоколадница.
Выводы
- № 3. - С. 115-125.
- С. 55-62.
- С. 56-62.
References