Агрохимия, 2021, № 10, стр. 89-96

ВВЕДЕНИЕ

Засуха (дефицит почвенной влаги) – серьезный стресс, ограничивающий урожайность культурных растений, в частности, пшеницы относительно имеющегося у них генетического потенциала [1]. Сорняки – еще одна из самых серьезных проблем современного сельского хозяйства, вызывающая в среднем снижение урожайности на 35% [2]. Эффективность гербицидов в борьбе с сорными растениями увеличила их применение для защиты от потери урожайности сельскохозяйственных культур [3]. Тем не менее, применение препаратов для химической прополки растений негативно сказывается и на культурных растениях, вызывая, так называемый “гербицидный стресс”, который становится наиболее ощутимым в условиях засухи [4].

Известно, что при абиотических стрессах (таких как гербициды и/или засуха) фотосинтез является наиболее уязвимым в процессе формирования биомассы растений [5–7]. Также есть данные о негативном влиянии гербицидов на антиоксидантную систему растений [8].

Роль регуляторов роста растений, в качестве которых давно известны гормоны растений, в стрессоустойчивости позволяет растениям выбрать необходимую стратегию для противодействия неблагоприятным последствиям абиотического стресса и индукции резистентности растений [9]. Они являются одной из ключевых систем, интегрирующих метаболические и эволюционные процессы во всем растении, и необходимы для нормального функционирования многих процессов роста на протяжении всей жизни растений, а также влияют на урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

В последнее время все больший интерес в нивелировании абиотических стрессов отводится бактериальным препаратам. В научной литературе прослежены 2 направления исследований по уменьшению ущерба, наносимого применяемыми в настоящее время гербицидами: ускорение процесса их естественного разрушения и снижение негативного воздействия на культурные растения. Микробиологическая трансформация и детоксикация пестицидов представлена в литературе достаточно полно [10–12]. Однако потенциал бактерий в нивелировании пестицидного стресса растений изучен недостаточно. Посвященные этому публикации единичны [13–15]. Работ, посвященных использованию ростстимулирующих бактерий в условиях комбинированного стресса, обусловленного засухой и гербицидной обработкой, нами не обнаружено.

Выделенный ранее штамм Pseudomonas protegens ДА1.2 обладал наличием ряда полезных признаков: устойчивостью к гербицидам, способностью к синтезу ауксинов и мобилизации неорганических фосфатов, антагонизмом к фитопатогенным грибам, ростом в отсутствии источника азота в среде, ростстимулирующим и антистрессовым влиянием на растения пшеницы [16]. Цель работы – показ перспективности использования штамма бактерий Pseudomonas protegens ДА1.2 в качестве антистрессанта растений пшеницы на фоне комбинированного стресса гербицид + засуха.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в лабораторных условиях на растениях мягкой яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) засухоустойчивого сорта Экада 109. В работе использовали штамм бактерий P. protegens ДА1.2 из коллекции микроорганизмов УИБ УФИЦ РАН и гербицид (против двудольных) на основе ауксинподобных действующих веществ 2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) и дикамбы (натриевая соль) – препарат Чисталан экстра (производитель ООО “АХК-АГРО”, Уфа).

Условия засухи достигали путем сокращения полива до 30% от полной влагоемкости почвы (ПВП) и поддержания ее на протяжении всего эксперимента (контроль на уровне 60%).

Семена пшеницы стерилизовали и проращивали в течение 3-х сут. Затем высаживали в сосуды объемом 0.5 л с почво-песочной смесью в соотношении 10 : 1. Растения выращивали на светоплощадке (14-часовой фотопериод, 190 мкмоль м^–2 с^–1 ФАР, температура 22–26°С). Через 7 сут растения обрабатывали гербицидом и бактериями как описано ранее [17]. Пробы на гормоны (ИУК, АБК и цитокинины), пролин, малоновый диальдегид (МДА) и хлорофилл отбирали через 3 сут после обработки, а ростовые показатели оценивали через 2 нед. Фитогормоны определяли методом иммуноферментного анализа [18], пролин – методом Bates [19] с модификациями, МДА – методом Costa [20], хлорофилл – спектрофотометрическим методом [21].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Одновременное воздействие засухи и гербицида чисталан приводило к снижению сырой массы как корня, так и побега растений пшеницы (на 24 и 32% соответственно), однако внесение бактерий P. protegens ДА1.2 в этих условиях способствовало увеличению массы побега (на 13% по сравнению с растениями при воздействии стресса), не вызывая при этом увеличения массы корня.

Известно, что при дефиците воды и/или элементов минерального питания типичной реакцией растений является относительная активация роста корня [22, 23]. В наших же экспериментах у растений, выращиваемых в условиях гербицидной обработки при недостатке воды, соотношение масс корень : побег не менялось по сравнению с контролем (рис. 1а), т.к. достоверно снижалась сырая масса и корня, и побега (рис. 1б), в то время как добавление ростстимулирующих бактерий в раствор гербицида приводило к снижению этого соотношения (т.е. наблюдали относительную активацию роста побега).

Рис. 1.

Соотношение масс корень : побег (а), масса побега и корня (б) растений пшеницы сорта Экада 109 через 14 сут после обработки. Статистически отличающиеся величины обозначены разными буквами, t-тест, р ≤ 0.05. То же на рис. 2–4; n = 20.

Накопление низкомолекулярных соединений является одной из ранних адаптивных реакций растений на действие стрессоров различной природы, одним из таких стрессовых метаболитов является аминокислота пролин. Повышение концентрации пролина в листьях пшеницы наблюдали в ответ на загрязнение ионами металлов, осмотический и температурный стрессы [24–26].

Действительно, в нашей работе при дефиците увлажнения почвы и опрыскивании гербицидом концентрация пролина в побегах растений резко возрастала (более чем на 100%), тогда как внесение изученных бактерий приводило к снижению этого показателя до уровня контроля (рис. 2а).

Рис. 2.

Содержание пролина (а) и МДА (б) в побегах растений пшеницы сорта Экада 109 через 3 сут после обработки, n = 9.

МДА – один из метаболитов при перекисном окислении липидов и его накопление в растениях показывает, что они находятся в стадии сильного окислительного стресса [7]. Обработка растений гербицидом при засухе приводила к накоплению МДА (на 15% относительно контроля), тогда как внесение бактерий штамма P. protegens ДА1.2 нивелировало стресс снижением роста его концентрации (рис. 2б). Таким образом, снижение уровня содержания МДА свидетельствовало об уменьшении повреждающего действия активных форм кислорода в листьях пшеницы при инокуляции растений бактериями P. protegens ДА1.2 в условиях комбинированного стресса, что способствовало поддержанию их роста и указывало на благоприятный антистрессовый эффект бактерий штамма ДА1.2.

Другим важным показателем состояния растений в условиях стресса является уровень содержания хлорофиллов а, б [27]. Показано, при что комбинированном стрессе гербицид + засуха содержание хлорофиллов в листьях пшеницы снижалось на 8% (рис. 3). Положительное влияние бактерий выражалось в нивелировании негативного влияния гербицида на фотосинтетический аппарат. Это отражалось на количественном содержании пигментов в растениях, инокуляция бактериями приводила к повышению суммарного содержания хлорофиллов на фоне комбинированного стресса на 17%. Высокая концентрация хлорофиллов характерна для здоровых растений, поскольку связана с большей эффективностью фотосинтеза. Таким образом, взаимодействие пшеницы с ростстимулирующими бактериями штамма ДА1.2 улучшало состояние растений по сравнению с необработанными бактериями аналогами.

Рис. 3.

Содержание хлорофиллов a и б в побегах растений пшеницы сорта Экада 109 через 3 сут после обработки, n = 9.

Далее, учитывая, что масса корней растений обоих вариантов по сравнению с контролем оставалась одинаково низкой, провели оценку осуществления гормональной регуляции полученных ростовых ответов.

Внесение гербицида чисталан (гербицид из класса синтетических ауксинов) приводило к накоплению ИУК более чем в 2.5 раза (рис. 4а). Этот эффект был обнаружен и в предыдущих работах при действии только гербицидного стресса [17, 28]. Предположили, что это могло быть связано со способностью растений к поглощению экзогенных ауксинов [17, 28], или же сам гербицид действовал на содержание эндогенной ИУК [29]. Данное предположение не противоречит уже имеющимся работам [30]. Наблюдаемый дисбаланс в распределении ауксинов между побегом и корнем в растении, вызываемый гербицидом, мог быть причиной уменьшения устойчивости растения к засухе. Накопление ауксинов под влиянием бактерий в корнях служит одним из механизмов, ответственных за улучшение состояния растений при обработке гербицидом в условиях засухи.

Рис. 4.

Содержание ИУК (а), АБК (б) и цитокининов (в) в побегах и корнях (на г сырой массы) растений пшеницы сорта Экада 109 через 3 сут после обработки, n = 9.

Накопление АБК вызывает закрытие устьиц в условиях дефицита воды [31]. Снижение тургорного давления в клетках при обезвоживании резко активирует синтез АБК, которая накапливается главным образом в хлоропластах клеток листа [32]. Было выявлено накопление АБК в растениях при воздействии стресса (рис. 4б). Наиболее сильно оно проявлялось в корнях, что могло быть следствием торможения их роста. Что касается цитокининов, то стресс приводил к повышению их содержания (рис. 4в), однако при внесении бактерий наблюдали наибольшее накопление цитокининов в побеге. Известно, что цитокинины необходимы для роста побега [33], подавляют рост корней [34] и являются антагонистами АБК [35]. Накопление цитокининов под влиянием изученного стрессового воздействия могло компенсировать рост-ингибирующее действие повышенного уровня АБК, что в наибольшей степени проявлялось в растениях, обработанных бактериями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, впервые получены данные о влиянии ростстимулирующих бактерий на растения пшеницы в условиях комбинированного стресса, вызванного засухой и применением гербицида. Бактериальный штамм Pseudomonas protegens ДА1.2 оказывал положительное влияние на состояние растений пшеницы, обработанных гербицидом чисталан, в условиях дефицита почвенной влаги, вызывая снижение содержания биохимических маркеров стресса МДА и пролина, предотвращение ингибирования роста растений, нормализацию содержания хлорофиллов. Показано, что вызванный гербицидом чисталан дисбаланс в распределении ауксинов между побегом и корнем в растениях мог быть причиной уменьшения устойчивости растения к засухе. На этом фоне накопление ауксинов при обработке бактериальным штаммом ДА1.2 не стимулировало роста корня, что было связано с ингибирующим действием АБК и цитокининов в корнях растений пшеницы. Таким образом, применение бактерий P. protegens ДА1.2 повысило устойчивость растений пшеницы к воздействию гербицида и засухи и он может быть рекомендован как основа препарата для повышения толерантности растений.