Affect of Rhizotorphin on chlorophyll content and productivity of introduced soybean cultivars

Cover Page

Abstract


Biotic nitrogen fi is a phenomenon mainly depended on mutualistic interrelation between host plant and root nodule bacteria. This interrelation affects photosynthesis and productivity of biological N-fixation and requires studies of biological particularities of grown legume cultivars and effectiveness of Bradyrhizobium strains used for seed inoculation. A field experiment was conducted on the territory of Nesvizhskaya Crop Testing Station (Minsk region, Republic of Belarus). Based on chlorophyll and nitrogen content in soybean leaves, number of nodules on roots of cultivars grown, and on quantity of nitrogen accumulated in plants, four soybean cultivars were assessed. The cultivar Pripyat (control) has poorly responded on inoculation, whereas cultivars Slavyankа an Sobrini responded well by increase of chlorophyll and nitrogen content in leaves and by larger number of root nodules. As a result, they produced unusually high seed yields. Therefore, these soybean cultivars may be recommended for wide use in regions of Belarus.


Введение Обеспеченность растений азотом - один из основных факторов формирования урожая. Азот входит в состав хлорофилла и белков, в т.ч. и участвующих в фотосинтезе [1]. У бобовых растений имеется два источника питания азотом - это почвенный минеральный азот, включая азот удобрений, и азот, поставляемый клубеньковыми бактериями за счет биологического восстановления атмосферного азота посредством ферментативного комплекса, содержащего нитрагеназу, синтезируемого различными штаммами бактерий рода Bradyrhizobium и Ensifer в клубеньках на корнях бобовых растений. Такой процесс возможен только при снабжении их продуктами фотосинтеза. Таким образом, с увеличением потребления биологического азота растением возрастает содержание хлорофилла в листьях, что, в свою очередь, приводит к увлечению поступления продуктов фотосинтеза в клубеньки и активизации фиксации атмосферного азота [2]. Такая обоюдополезная взаимозависимость растения-хозяина и клубеньковых бактерий повышает продуктивность первого. Отмечается высокая степень положительной корреляции между фотосинтезом и биологической азотфиксацией в отсутствии минерального азота в питательной среде [3]. Материалы и методы Исследования проводились в 2017-2018 гг. на опытных полях ГСХУ «Несвижская сортоиспытательная станция» в Минской области Республики Беларусь с целью оценки четырех сортов сои местной и зарубежной селекции на отзывчивость обработки семян бактериальным препаратом «Ризоторфин», производимым компанией ЭКОС (при ФГБНУ ВНИИСХМ) и предоставленным компанией АТИ - Агротехнические инновации. Почва опытного участка дерново-подзолистая, легкосуглинистая. Агрохимическая характеристика: pH KCl 5,5…6,0, содержание гумуса 2,71%, содержание обменного калия и подвижного фосфора 400 и 299 мг/кг почвы соответственно. После уборки предшественника, осенью была проведена вспашка на глубину 20…25 см с одновременным внесением фосфорных и калийных удобрений (P O 2 5 2 80 кг д. в. и К О 120 кг д. в.), согласно местным рекомендациям. Перед посевом почву обработали культиватором АКШ на глубину 3-4 см. На опытных делянках посев сои проводили вручную на глубину 2-3 см, междурядья - 45 см, из расчета 222 тыс. на 1 га, согласно применяемой рекомендации для этого района. Обработку семян препаратом «Ризоторфин» осуществляли вручную в день посева. Площадь делянки - 14,4 м2. Повторность - четырехкратная, расположение делянок - рандомизированное. Уход за посевами проводился вручную. Схема опыта включала в себя следующие варианты, размещенные изолированными отдельными блоками: 1. - Припять (без обработки) 2. - Галлек (б/о) 3. - Славянка (б/о) 4. - Собрини (б/о) 1. - Припять (обработка препаратом, далее Ризоторфин) 2. - Галлек (Ризоторфин) 3. - Славянка (Ризоторфин) 4. - Собрини (Ризоторфин) За контрольный вариант был принят местный сорт Припять. В период проведения опыта регистрировались даты наступления фенологических фаз растений. В фазу цветения и фазу начала образования бобов отбирались высечки листа для анализа на содержание хлорофилла в листьях. Количественное определение хлорофилла проводилось на спектрофотометре GENESYS 10Vis. Концентрацию рассчитывали по уравнениям Винтерманса и Де Мотс для этаноловых вытяжек [6]. Для определения активности формирования симбиотического аппарата на корнях растений сои в фазу цветения и в фазу начала налива бобов с каждой делянки опыта отбирали по 10 растений. Растения выкапывали с небольшим монолитом почвы вокруг стержневого корня. В лаборатории корни очищали, аккуратно промывали, чтобы избежать потери клубеньков, учитывали количество и общую массу клубеньков. Учет урожая проводился по общепринятым методикам сортоиспытания [7]. Результаты исследований Активность азотофиксации бактериями зависит от температуры и влажности почв. Низкие температуры, переувлажнение или, наоборот, засухи отрицательно сказываются на растении, что в конечном счете обусловливает малоразвитость симбиотического аппарата. В среднем неблагоприятные погодные условия в начальный период вегетации привели к тому, что максимальное количество клубеньков сформировалось не в фазу цветения, а в начале сентября - в фазу бобообразования (рис. 1). Рис. 1. Количество клубеньков во время вегетации у различных сортов сои, шт./растение Fig. 1. Number of root nodules in different soybean cultivars during vegetation, nodules per plant Находившиеся в одинаковых почвенных и погодных условиях растения испытываемых сортов по-разному формировали на корнях симбиотический аппарат. У растений сорта Галлек количество клубеньков было на одну треть больше, чем у сорта Собрини, и в два раза больше, чем у сортов Припять и Славянка. Так как взаимное распознавание симбиотической пары «растение - клубеньковая бактерия» и проникновение бактерий в корневую ткань происходит, в основном, в корневом волоске, есть основание предположить, что число корневых волосков на 1 мм корня у сорта Галлек больше, чем у других сортов. Последующее развитие симбиоза и формирование массы клубеньков, где содержится и действует нитрогеназный комплекс в корнях каждого вида и сорта бобовых растений, зависит от их биологических особенностей [5, 8]. Масса клубеньков, г/раст., приведена на рис. 2. Несмотря на то, что количество клубеньков, образовавшихся на корнях растений сои сорта Галлек, превосходит количество клубеньков сорта Собрини, масса клубеньков на его корнях существенно меньше, чем у сорта Собрини. Рис. 2. Масса клубеньков во время вегетации у различных сортов сои, г/растение Fig. 2. Weight of root nodules of different soybean cultivars during vegetation, g/plant Тип азотного питания бобовых растений влияет на трансформацию и транспорт азотистых соединений, а также энергетический обмен в них. Все эти процессы тесно связаны с фотосинтезом. В нашем исследовании на основе анализа содержания хлорофиллов а и b сделана попытка установить влияние преобладающего типа азотного питания на содержание хлорофиллов в листьях сои в критические фазы развития растений сои: в фазу цветения и фазу формирования бобов. Общее содержание хлорофиллов в растениях в фазу цветения на делянках с применением бактериального препарата не отличается от содержания хлорофиллов в растениях без обработки. Однако следует отметить, что содержание хлорофиллов в листьях интродуцированных сортов (и особенно у сорта Собрини) было выше, чем у местного районированного сорта Припять (рис. 3). Рис. 3. Зависимость содержания хлорофиллов a и b в растениях сои от обработки семян Ризоторфином в фазу цветения Fig. 3. Effect of Rhizotorphin seed treatment (flowering period) on a and b chlorophyll content in soybean plants В фазу образования бобов, когда можно предполагать, что симбиотический аппарат развился полностью, среднее количество клубеньков составило от 63 до 130 шт./растение (см. рис. 1). Максимальное содержание хлорофиллов обнаружено у растений сорта Галлек, что можно связать с большим количеством активных клубеньков на корнях растений этого сорта. Меньшее количество клубеньков и меньшее содержание хлорофиллов выявлено в листьях растений сорта Припять (рис. 4). Рис. 4. Зависимость содержания хлорофиллов a и b в растениях сои от обработки семян Ризоторфином в фазу бобообразования Fig. 4. Effect of Rhizotorphin seed treatment (seed formation period) on a and b chlorophyll content in soybean plants Определение общего содержания хлорофиллов в листьях сравниваемых сортов сои в различные сроки их вегетации позволяет отметить еще одну их особенность. У сорта Собрини содержание хлорофиллов снижалось в период с 10 июля по 1 сентября, причем на варианте без применения Ризоторфина в меньшей степени, чем на делянках с применением этого препарата (рис. 5). У сорта Галлек в сентябре содержание зеленых пигментов существенно возросло, что, вероятно, обусловлено более активно работающим симбиотическим аппаратом. У сорта Припять содержание хлорофиллов было наиболее низким. Более того, применение инокуляции отрицательно сказывалось на содержании хлорофиллов. В данном случае можно предположить, что симбиотический аппарат не сформировался, и бактерии играли роль иждивенцев во взаимоотношении с растением-хозяином (рис. 5). Рис. 5. Общее содержание хлорофиллов в растениях сои в зависимости от обработки семян Ризоторфином Fig. 5. Effect of Rhizotorphin seed treatment on total chlorophyll content in soybean plants Общее содержание хлорофиллов в листьях растений сои значительно связано с выносом азота урожаем (коэффициент корреляции r ≈ 0,67), что доказывает обоюдную связь усиления активности симбиотической азотфиксации за счет снабжения растений продуктами фотосинтеза. Отмеченную выше разницу в содержании хлорофиллов, количестве и массе клубеньков на растениях, величине и качестве полученного урожая семян, можно объяснить различным проявлением автотрофного и симбиотрофного типов азотного питания растений у испытываемых сортов сои. В вариантах с применением Ризоторфина прибавка урожая семян составляла от 15 до 76%, а интродуцируемые сорта превышали в урожайности районированный сорт Припять на 6…29%. При этом наибольшую отзывчивость на Ризоторфин показал сорт Славянка, превысив урожай на делянке без препарата на 2,2 т/га, а контрольный сорт на 3,4 т/га (табл. 1). Влияние обработки семян сои Ризоторфином на урожайность сортов сои, т/га Таблица 1 Сорт Средний урожай, т/га Отклонение по сортам в зависимости от инокуляции, т/га Отклонение по сортам в зависимости от инокуляции,% Отклонение от контрольного сорта,% Припять - 3,1 1 32,3 + 4,1 Галлек - 3,3 1,2 36,4 6,5 + 4,5 9,8 Славянка - 2,9 2,2 75,9 -6,5 + 5,1 24,4 Собрини - 4,0 0,6 15 29,0 + 4,6 12,2 НСР05 = 0,97 + семена, обработанные препаратом «Ризоторфин», - семена без обработки Effect of Rhizotorphin seed treatment on soybean yield, t/ha Table 1 Cultivar Average yield, t/ha Cultivars deviation depending on inoculation, t/ha Cultivars deviation depending on inoculation,% Deviation from the control,% Pripyat - 3.1 1 32.3 + 4.1 Gallek - 3.3 1.2 36.4 6.5 + 4.5 9.8 Slavyanka - 2.9 2.2 75.9 -6.5 + 5.1 24.4 Sobrini - 4.0 0.6 15 29.0 + 4.6 12.2 + seeds treated with Rhizotorphin - seeds without treatment LSD05= 0.97 t/ha Обобщенным результатом влияния обработки семян сои Ризоторфином на физиологическое состояние растений сои, оцениваемое по содержанию хлорофиллов в листьях и количеству клубеньков на корнях, является накопление биологического азота в урожае сравниваемых сортов (табл. 2). Таблица 2 Содержание азота в семенах сои,%, и вынос азота с урожаем семян Сорт N,% ср. в семенах Урожай, кг/га Вынос азота с урожаем семян, кг/га Припять б/о 3,5 3100 109 Припять ризоторфин 4,0 4100 164 Галлек б/о 4,3 3300 142 Галлек ризоторфин 5,6 4500 252 Славянка б/о 4,2 2900 122 Славянка ризоторфин 5,0 5100 255 Собрини б/о 4,8 4000 192 Собрини ризоторфин 6,4 4600 294 Nitrogen content in soybean seeds,%, and nitrogen removal by seeds Table 2 Cultivar N,% avg.in seeds Yield, kg/ha Nitrogen removal by seeds, kg/ha Pripyat without treatment 3.5 3100 109 Pripyat Rhizotorphin 4.0 4100 164 Gallek without treatment 4.3 3300 142 Gallek Rhizotorphin 5.6 4500 252 Slavyanka without treatment 4.2 2900 122 Slavyanka Rhizotorphin 5.0 5100 255 Sobrini without treatment 4.8 4000 192 Sobrini Rhizotorphin 6.4 4600 294 Результаты исследований подтвердили значительную связь двух важных физиологических процессов - фотосинтеза и симбиотической азотфиксации бобовых растений, которая отмечалась в работах зарубежных авторов [9-13]. При этом степень проявления этих процессов является характеристикой конкретного выращиваемого сорта, как отмечено, например, в [2, 11, 13]. Заключение В нашем исследовании дана оценка интродуцированных сортов сои по содержанию хлорофиллов в листьях растений, по количеству клубеньков на корнях сои, накоплению общего азота в семенах как взаимозависимых показателей, характеризующих эффективность симбиоза. Установлено, что местный сорт Припять, используемый в качестве контроля, мало отзывчив на инокуляцию семян перед посевом. Обработка семян интродуцированных сортов «Ризоторфином» способствовала повышению содержания хлорофиллов в листьях, формированию большего числа клубеньков на корнях, обеспечивала достоверную прибавку урожая и, как общий результат, накопление большего количества биологического азота. С учетом всех этих показателей интродуцируемые сорта сои Галлек, Славянка и Собрини могут быть рекомендованы для масштабной интродукции в районах выращивания сои на землях территории Республики Беларусь.

Yulia Vladislavovna Tsvetkova

Russian Plant Quarantine Center; Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: yutska@mail.ru
Moscow Region, Russian Federation; Moscow, Russian Federation

agronomist, laboratory of mycology, Russian Plant Quarantine Center, Master, Agrobiological Department, Agrarian and Technological Institute, Peoples’ Friendship University of Russia

Marina Ustimovna Lyashko

Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: nagvic@yandex.ru
Moscow, Russian Federation

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Agrobiological Department, Agrarian and Technological Institute

Inna Ivanovna Strazhnikova

Nesvizhskaya Crop Testing Station

Email: strazhnikova.inna@mail.ru
Minsk region, Republic of Belarus

Head of the Department of Testing Agricultural Plant Cultivars for Economic Utility

  • Bethlenfalvay GJ, Abu-Shakra SS, Phillips DA. Interdependence of Nitrogen Nutrition and Photosynthesis in Pisum sativum L: II. Host Plant Response to Nitrogen Fixation by Rhizobium Strains. Plant Physiology. 1978; 62(1):131–133. doi: 10.1104/pp.62.1.131.
  • Kononov AS, Shkotova ON. Infl of forms of nitrogen fertilizers on the chlorophyll content in singlespecies and mixed legume-cereal agrocenoses. Bryansk State University Herald. 2012; (4–1):103–106. (In Russ).
  • Atkins CA. Efficiencies and inefficiencies in the Legume/Rhizobium symbiosis (a review). Plant and Soil. 1984; 82(3):273–284. doi: 10.1007/BF02184267.
  • Begun SA, Tilba VA. Sposoby, priemy izucheniya i otbora effektivnykh shtammov kluben’’kovykh bakterii soi. Metody analiticheskoi selektsii [Methods and techniques for studying and selecting effective strains of soybean nodule bacteria. Methods of analytical selection]. Blagoveshchensk: Zeya Publ; 2005. (In Russ).
  • Nagorny VD, Lyashko MU. Soya: biologiya i agrotekhnika [Soybean: biology and agrotechnology]. Moscow: Biblio-Globus Publ; 2018. (In Russ).
  • Shlyk AA. Spectrophotometric determination of chlorophyll a and b. Biochemistry. 1968; 33(2):275–285. (In Russ).
  • Fedin MA Methods of state variety testing of agricultural crops. Ministry of Agriculture of the USSR; 1985. (In Russ).
  • Pate JS, Atkins CA. Nitrogen uptake, transport and utilization in nitrogen fixation. In: Broughton WJ. (ed.) Vol. 3. Legumes. Oxford: Clarendon Press; 1983. p. 245–298.
  • Pate JS, Minchin FR. Comparative studies of carbon and nitrogen of selected grain legumes. In: Summerfield RJ, Bunting AH. (eds.) Advances in legume science. Richmond, UK: Royal Botanic Gardens; 1980. p. 105–114.
  • Kundu BS, Gaur AC. Establishment of nitrogen-fixing and phosphate-solubilising bacteria in rhizosphere and their effect on yield and nutrient uptake of wheat crop. Plant and Soil. 1980; 57(2–3):223–230. doi: 10.1007/ BF02211682
  • Freire JRJ. Important limiting factors in soil for the Rhizobium-legume symbiosis. In: Alexander M. (ed.) Biological Nitrogen Fixation. Boston, MA: Springer; 1984. p. 51–74. doi: 10.1007/978–1–4613–2747–9_3.
  • Durand IL, Sheehy IE, Minchin FR. Nitrogenase activity, photosynthesis and nodule water potential in soybean plants experiencing water deprivation J Exp Botany. 1987; 38(2):311–321. doi: 10.1093/jxb/38.2.311.
  • Mark Latimore Jr, Giddens L, Ashley DA. Effect of ammonium and nitrate nitrogen upon photosynthate supply and nitrogen fixation by soybeans. Crop Science. 1977; 17(3):399–404. doi: 10.2135/cropsci1977.0011. 183X001700030015x

Views

Abstract - 215

PDF (Russian) - 53

PlumX


Copyright (c) 2020 Tsvetkova Y.V., Lyashko M.U., Strazhnikova I.I.

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