Influence of ABA-metabolizing bacteria on the growth and aba content in wheat plants and soil in dense planting

E. V. Martynenko; Мартыненко Е. В.; L. Y Kuzmina; Кузьмина Л. Ю.; E. R. Gaffarova; Гаффарова Э. Р.; А. S. Ryabova; Рябова А. С.; G. R. Kudoyarova; Кудоярова Г. Р.; L. B. Vysotskaya; Высоцкая Л. Б.

doi:10.31857/S0002188124120096

Влияние бактерий, метаболизирующих абсцизовую кислоту, на рост и содержание АБК в растениях пшеницы и почве при высокой плотности их посадки

Авторы: Мартыненко Е.В.¹, Кузьмина Л.Ю.¹, Гаффарова Э.Р.¹, Рябова А.С.¹, Кудоярова Г.Р.¹, Высоцкая Л.Б.¹
Учреждения:
1. Уфимский Институт биологии Уфимского федерального исследовательского центра РАН
Выпуск: № 12 (2024)
Страницы: 64-71
Раздел: Агроэкология
URL: https://ogarev-online.ru/0002-1881/article/view/273596
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188124120096
EDN: https://elibrary.ru/vursch
ID: 273596

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изучили влияние метаболизирующих абсцизовую кислоту (АБК) бактериальных штаммов родов Pseudomonas и Arthrobacter на содержание гормона в побегах и корнях растений пшеницы, а также в песчаном субстрате при плотной посадке. Обнаружена способность бактерий уже через 10 сут после инокуляции, хотя и в разной степени, снижать содержание АБК в среде выращивания и в растениях. При этом для большинства изученных штаммов было характерным снижение в побегах и реже наблюдали уменьшение количества АБК в корнях. Обнаруженное одновременное существенное снижение гормона в побегах и в песчаном субстрате, проявившееся при воздействии штаммов P. plecoglossicida 2.4-D, P. frederiksbergensis IB Ta10m, P. veronii IB K11-1, сопровождалось максимальным увеличением массы растений пшеницы по сравнению с неинокулированными растениями. Изученные бактерии в разной степени стимулировали накопление массы побега и корня, а также площади листьев, что, вероятно, могло быть связано с их различной способностью синтезировать другие гормоны, например ИУК, и/или воздействовать на гормональную систему самого растения. Обсуждается перспективность использования бактерий АБК-деструкторов для разработки сельскохозяйственных биопрепаратов, способных смягчать негативные последствия загущенного посева и повышать устойчивость к другим абиотическим факторам.

Ключевые слова

Triticum durum, плотность посадки, рост, абсцизовая кислота, рострегулирующие бактерии, АБК-деструкторы

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение высокотехнологичных методов ведения сельского хозяйства включает рациональное использование пахотных земель. Оптимальная плотность посева растений – один из факторов получения стабильно высоких урожаев. Хотя суммарная урожайность всех растений в определенных пределах увеличивается при повышении плотности их посадки, урожайность отдельных растений снижается [1–4]. Это связано с конкуренцией растений за почвенные ресурсы, необходимые для эффективного использования световой энергии и формирования урожая при повышении плотности посева. Несколько текущих десятилетий в связи с конкуренцией активно изучали негативно влияющие на фотосинтез и урожай изменения морфогенетически-активного излучения, характеризующегося изменением соотношения красного и дальнего красного света [5]. Несмотря на очевидную перспективность этого направления, особенно для зерновых культур, манипуляции с фитохромной системой оказались неэффективными и пока не дали практических результатов. В то же время накоплено немало сведений относительно роли фитогормонов в реакции растений на затенение [6]. И хотя в этой связи абсцизовой кислоте (АБК) уделялось немного внимания, и роль ее была неочевидной, получены сведения, что она участвует в реакции на световые сигналы [7–9].

В последнее время стало ясно, что растения проявляют реакции на присутствие соседей еще до нехватки питания и до затенения, связанные с водным обменом, прежде всего, с закрытием устьиц, и демонстрируют подавление роста. Эти ранние реакции предвещают будущую конкуренцию за основные ресурсы. Получены также сведения, что при увеличении плотности посадки по меньшей мере у растений салата в побегах довольно быстро накапливается АБК [10], которая может влиять на апертуру устьиц и показатели фотосинтеза [11, 12]. К тому же известно, что растения через корни выделяют этот гормон во внешнюю среду, в результате чего высокие почвенные концентрации абсцизовой кислоты могут негативно влиять на сами растения [13]. Таким образом, в условиях конкуренции, когда растению постоянно необходимо интегрировать одновременно множество сигналов окружающей среды [6], роль АБК может быть одной из определяющих в проявлении ранних реакций на присутствие соседних растений. В этой связи метод регуляции содержания АБК в растениях путем применения недавно описанных бактерий, способных к деградации этого фитогормона [14], мог бы оказаться весьма перспективным для более мягкого прохождения стресса в умеренно загущенных посевах. Важно также контролировать содержание АБК в почве, которая в условиях более плотной посадки может выступать в качестве корневого сигнала, приводящего к ингибированию роста растений [11]. В настоящее время сведения о бактериях, способных метаболизировать АБК, весьма ограничены, буквально известно о нескольких деструкторах АБК, которые снижали содержание этого гормона в растениях и позитивно влияли на их рост [14–16]. Поиск новых штаммов и изучение механизмов их влияния на сельскохозяйственные культуры необходим для получения комплексных эффективных рострегулирующих препаратов, повышающих устойчивость и урожайность сельскохозяйственных культур в условиях умеренного биотического и абиотического стресса. Цель работы – изучение влияния предварительно отобранных бактериальных штаммов родов Pseudomonas и Arthrobacter [17], способных метаболизировать АБК, на рост растений пшеницы в условиях высокой плотности их посадки.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили растения твердой пшеницы Triticum durum Desf., сорта Башкирская 27. Эксперименты проводили на светоплощадке с освещенностью 450 мкмоль/м²/с ФАР, 14-часовым световым периодом, влажностью воздуха 30–50% ОСВ. Плотность посадки растений имитировали разным количеством растений в одном вегетационном сосуде с 0.7 кг стерильного песчаного субстрата, пропитанного питательным раствором Хогланда–Арнона (Х–А). Семена пшеницы после стерилизации смесью этанола с пероксидом водорода проращивали в стерильных чашках Петри. Двухсуточные проростки высаживали в вегетационные сосуды по 5, 10 и 20 шт. в один сосуд.

Растения в течение эксперимента поливали один раз в сутки, в качестве подкормки вносили равные объемы питательного раствора Х–А, после чего в каждый горшок по весу добавляли воду, в зависимости от транспирационных потерь, до влажности субстрата 80% ПВ. При таком режиме полива влажность субстрата в горшках изменялась в пределах от 80 (после полива) до 50% (перед поливом) ПВ и не предполагала воздействия на растения водного дефицита.

Штаммы использованных для обработки микроорганизмов в основном из рода Pseudomonas (P. plecoglossicida 2.4-D (KY593189.1), описанные ранее [16, 18], Pseudomonas sp. IB TaЕ2 (PP316703), P. frederiksbergensis IB Ta10m (PP316701), P. veronii IB K11-1 (PP237770)) и Arthrobacter sp. TaЖ-5 находятся в коллекции Уфимского института биологии УФИЦ РАН [17].

Инокуляцию растений бактериями проводили в день посадки проростков путем внесения в прикорневую зону суспензии отмытых бактериальных клеток до конечной концентрации 10⁸ КОЕ/г субстрата. Бактериальные суспензии получали, выращивая штаммы на средах Кинг Б – род Pseudomonas и мясо-пептонный бульон – Arthrobacte, как это описано ранее [17, 19].

Для определения содержания абсцизовой кислоты в растительных образцах использовали твердофазный иммуноферментный анализ (ТФИФА), который основан на применении специфичных антител к гормонам. Надежность этого метода обеспечивается не только специфичностью антител, но и оригинальным способом очистки АБК с помощью модифицированного метода экстракции, основанного на уменьшении объема экстрагента на каждом этапе экстракции и реэкстрации, позволяющего уменьшить уровень сопутствующих компонентов [20]. Достоверность ТФИФА гормонов подтверждена путем сопоставления его результатов с данными физико-химического анализа (сочетания хроматографии с масс-спектрометрией) [21, 22].

РЕЗУЛЬТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При выращивании проростков пшеницы в вегетационном сосуде через 13 сут максимально плотная посадка (20 растений/сосуд) приводила к заметному снижению массы одного растения по сравнению с растущими по 5 шт./сосуд (рис. 1).

Рис. 1. Масса целого растения, побега и корня, соотношение масс корень/побег растений пшеницы через 13 сут после посадки 5-, 10- и 20-ти проростков в один вегетационный сосуд. Разными буквами обозначены достоверно отличающиеся величины (n = 30, P ≤0.05, ANOVA, тест Дункана). То же на рис. 2–5.

Растения проявляли признаки недостатка питания, демонстрируя повышение соотношения масс корень/побег, снижение индекса азотного баланса растений (NBI), снижение содержания хлорофилла по сравнению с растениями с меньшим количеством в сосудах (по 5 и 10 растений) (рис. 2). NBI является показателем изменения соотношения C : N в листьях и может служить индикатором азотного статуса растений.

Рис. 2. Индекс азотного баланса NBI (а) и содержание хлорофилла (б) растений пшеницы через 13 сут после посадки 5-, 10- и 20-ти проростков в один вегетационный сосуд.

Подобранные способ посадки и режим внесения почвенных ресурсов (вода, минеральные соли) позволили выявить зависимость реакции растений от их количества в сосуде и определить, что в течение первых 2-х нед проявлялись негативные последствия конкуренции при выращивании 20-ти растений/сосуд (при высокой плотности посадки), соответственно эта плотность и была выбрана для дальнейшего исследования.

Обработка растений пшеницы, растущих в плотном посеве (20 растений/сосуд) суспензией бактериальных клеток P. plecoglossicida 2.4-D, Pseudomonas sp. IB TaE2, P. frederiksbergensis IB Ta10m, P. veronii IB K11-1 и Arthrobacter sp. TaЖ-5, которые являются деструкторами АБК, в большинстве случаев приводила к снижению содержания гормона в песчаном субстрате, в котором выращивали растения, уменьшая концентрацию на 24–37% по сравнению с неинокулированным контролем (рис. 3).

Рис. 3. Содержание АБК в побегах и корнях (нг/г сырой массы) растений пшеницы и в почве (нг/сосуд) через 10 сут после посадки проростков в сосуд и внесения в ризосферу (до 10⁸ КОЕ/г субстрата) деструкторов АБК (n = 9).

При воздействии Pseudomonas sp. IB TaE2 снижение было недостоверным, хотя in vitro в минерально-солевой среде бактерия проявляла способность разрушать АБК. Численность ее увеличивалась в присутствии гормона как единственного источника углерода и энергии [17]. Внесение АБК-разрушающих бактерий в прикорневую зону приводило к снижению содержания этого гормона в побегах всех обработанных проростков пшеницы на 34–60%, и только один инокулят P. veronii IB K11-1 существенно снижал (на 44%) концентрацию АБК в корнях.

Как показано ранее, АБК можно обнаружить в прилегающей к корням почве разных сельскохозяйственных культур. Со временем содержание ее может меняться, что и было продемонстрировано с помощью радиоактивной метки [13]. Поскольку считается, что между содержанием гормонов в почве и в растении должно в конечном счете достигаться равновесие, обнаруженное нами снижение концентрации гормона в инокулированных растениях могло быть таким проявлением.

Также выявлены особенности влияния штаммов P. frederiksbergensis IB Ta10m, P. veronii IB K11-1, которые снижали содержание АБК в корнях, в дополнение к снижению ее содержания в побегах. При этом для всех инокулятов было характерно, хотя и в разной степени, увеличение массы побега по сравнению с неинокулированными растениями (рис. 4).

Рис. 4. Масса побегов (а) и корней (б) через 10 сут после посадки в сосуды проростков пшеницы и внесения в ризосферу (до 10⁸ КОЕ/г субстрата) деструкторов АБК (n = 12).

Максимальная масса была отмечена как у целого растения, так и у корня при обработке P. frederiksbergensis IB Ta10m и P. veronii IB K11-1. Соответственно, все изученные деструкторы АБК позитивно влияли на рост растений пшеницы при выбранной высокой плотности посадки.

Штамм Pseudomonas sp. IB TaE2 был малоэффективен для стимуляции прорастания семян и поддержания роста проростков пшеницы в чашках Петри [17] и в данных экспериментах также незначительно увеличивал массу растений (на 6–9% по сравнению с неинокулированными). Несмотря на снижение концентрации АБК в побеге, которое было максимальным по сравнению с другими бактериями, данный штамм не вызывал достоверного снижения содержания гормона в почве. Как показано еще в классических работах, корневые сигналы АБК (концентрация АБК в ксилеме) влияют на транспирацию и рост растений в определенной ситуации в большей степени, чем содержание гормона в ткани листа [13]. Кроме того, АБК может подавлять рост и ветвление корней [23, 24], что должно отрицательно сказаться на способности корневой системы поглощать воду и элементы минерального питания. Поскольку в наших опытах содержание АБК снижалось, можно это рассматривать как механизм положительного действия микробов.

Наибольшее увеличение массы растения было характерно для P. plecoglossicida 2.4-D, P. frederiksbergensis IB Ta10m, P. veronii IB K11-1, обработка которыми снижала содержание АБК в почве и побегах растений. Бактерия P. plecoglossicida 2.4-D в равной степени стимулировала рост побега и корня, а P. veronii IB K11-1 максимально активировала накопление массы корня на фоне снижения в нем содержания АБК. Соответственно, разным сочетаниям изменений содержания АБК, обнаруженным в почве, корне и побеге, соответствовали разные ростовые ответы проростков пшеницы. Это аргумент в пользу того, что влияние бактерий АБК-деструкторов определяло ростовой ответ растений, учитывая, что выращивали их при одинаковом температурном, водном режиме и снабжали одинаковым количеством питательных элементов. Интересно то, что инокулированные растения, за исключением обработанных Pseudomonas sp. IB TaE2, в течение первой недели после обработки демонстрировали более высокие показатели азотного индекса, свидетельствующего об обеспеченности растений минеральным питанием (табл. 1).

Таблица 1. Динамика содержания хлорофилла (Chl) и индекса азотного баланса (NBI) в проростках пшеницы после инокуляции клетками бактерий до 10⁸ КОЕ/г субстрата, n = 30

Вариант обработки	Время после инокуляции, сут
	3		6		10
	Chl	*NBI*	Chl	*NBI*	Chl	*NBI*
Неинокулированные	17 ±	38 ±	23 ±	64 ±	23 ±	63 ±
P. plecoglossicida 2.4-D	17 ±	44 ±	23 ±	71 ±	23 ±	65 ±
Pseudomonas sp. IB TaE2	17 ±	39 ±	22 ±	61 ±	22 ±	58 ±
P. frederiksbergensis IB Ta10m	16 ±	40 ±	23 ±	68 ±	23 ±	62 ±
P. veronii IB K11–1	17 ±	44 ±	22 ±	66 ±	24 ±	63 ±
Arthrobacter sp. TaЖ-5	16 ±	40 ±	22 ±	65 ±	23 ±	62 ±

Примечание. NBI – усл. ед., Chl – мкг/см².

Бактериальная обработка не влияла на содержание хлорофилла в пределах наших сроков выращивания растений в плотной посадке, что было также характерно и для конкурирующих растений салата [25].

Конкурентные отношения между растениями в плотных посадках предполагают ростовой ответ листьев, направленный на захват солнечной энергии, которая в загущенных посевах становится лимитирующим фактором [26]. Возможно поэтому поддержание роста растений в плотных посевах в результате обработки их бактериями-деструкторами АБК не должно ограничиваться увеличением массы побега или корня. В этой связи проанализировали формирование площади листовой поверхности растений пшеницы после инокуляции разными бактериями (рис. 5).

Рис. 5. Суммарная площадь листьев растений пшеницы через 10 сут после посадки и внесения в ризосферу (до 10⁸ КОЕ/г субстрата) деструкторов АБК (n = 12).

Показано, что бактериальная обработка в разной степени стимулировала увеличение площади листьев в зависимости от штамма. Максимальные величины этого показателя были характерны для P. plecoglossicida 2.4-D и P. veronii IB K11–1, а у штамма P. frederiksbergensis IB Ta10m, для которого также была характерна стимуляция накопления массы растением, эта реакция практически отсутствовала. Возможно, формирование большего листового покрытия у растений пшеницы под воздействием бактерий P. plecoglossicida 2.4-D и P.veronii IB K11-1 было связано с их способностью к синтезу и выделению во внешнюю среду ауксина [27, 28], участие которого подтверждено в реакции растений на затенение [10, 29]. Несмотря на то, что в литературе сведения о разрушающих АБК бактериальных штаммах ограничиваются несколькими представителями [14], известно, что они позитивно влияли на рост растений, снижая в них эндогенное содержание АБК, но отличались по способности синтезировать другие гормоны и метаболиты [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, изучение особенностей роста проростков пшеницы и содержания в них АБК и в почвенном растворе в ответ на обработку АБК-деструкторами подтвердило наличие связи между способностью бактерий к снижению содержания АБК и стимуляцией или поддержанием ростовых процессов в плотных посадках. Выявленные особенности ответных реакций растения на обработку отдельными метаболизирующими АБК бактериями предположительно были также связаны с влиянием бактерий на другие гормоны растений или с прямым воздействием бактериальных метаболитов на растения. Таким образом, удалось выявить несколько перспективных для дальнейших исследований бактериальных штаммов-деструкторов АБК, относящихся к роду Pseudomonas (P. plecoglossicida 2.4-D, P. frederiksbergensis IB Ta10m, P.veronii IB K11-1), применение которых могло бы способствовать поддержанию роста и смягчению стресса у растений пшеницы в загущенных посевах.