Перспективы совместного применения Pseudomonas koreensis и Pseudomonas plecoglossicida для биологического обогащения растений азотом

Введение: Значительные экономические затраты и возможные экологические риски, связанные с неправильным применением минеральных удобрений, обусловливают необходимость разработки альтернативных стратегий азотного питания сельскохозяйственных культур. Одним из таких подходов является биологическая фиксация азота азотфиксирующими микроорганизмами. Процесс биологической фиксации наиболее изучен в контексте симбиотических взаимодействий с бобовыми культурами, однако современные исследования сосредоточены на расширении его применения для небобовых растений. В этом контексте значительный интерес представляют несимбиотические диазотрофы рода Pseudomonas, азотфиксирующий потенциал которых требует дальнейшего изучения и верификации. Настоящее исследование характеризует функциональный потенциал отечественных штаммов Pseudomonas и формирует научную основу для их эффективного совместного применения с целью улучшения азотного питания небобовых культур.

Цель: Охарактеризовать азотфиксирующую способность Pseudomonas koreensis В-3481 и Pseudomonas plecoglossicida В-13802, а также изучить перспективы совместного применения штаммов в улучшении азотного питания растений.

Материалы и методы: объектами исследования являлись штаммы Pseudomonas koreensis В-3481 и Pseudomonas plecoglossicida В-13802, полученные из Национального биоресурсного центра Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов НИЦ «Курчатовский институт». Способность штаммов фиксировать атмосферный азот исследовали с помощью анализатора азота Rapid N. Способность штаммов продуцировать аммиак оценивали спектрофотометрическим методом. Лабораторную апробацию проводили на яровой мягкой пшенице (Triticum aestivum L. emend.) «Сибирский Альянс». Количество азота и белка в надземной части растений в фазе проростка по шкале десятичного кода определяли по методу Дюма.

Результаты: Изученные штаммы фиксировали азот при выращивании на безазотной питательной среде, а также обладали способностью к продуцированию аммиака. Настоящее исследование является первым заявлением об азотфиксирующей способности Pseudomonas koreensis В-3481 и Pseudomonas plecoglossicida В-13802. Штаммы не ингибировали рост друг друга, что позволило сконструировать консорциумы на их основе. Оптимальное соотношение 2:1 (P. koreensis: P. plecoglossicida) интенсифицировало азотфиксацию (289,76 мкг/мл) и продуцирование аммиака (344,20 мкг/мл). Лабораторная апробация показала статистически достоверное увеличение всхожести, длин надземной и корневой части Triticum aestivum L. emend. при обработке консорциумом в сравнении с контрольным вариантом на 17 %, (2,4 и 1,7 см, соответственно). Также надземная часть Triticum aestivum L. emend., обработанная консорциумом, содержала на 0,51 % больше азота и на 1,15 % больше белка, чем контрольный вариант.

Выводы: Перспективным является применение консорциума, состоящего из Pseudomonas koreensis В-3481 и Pseudomonas plecoglossicida В-13802 в соотношении 2 к 1, в качестве биоудобрения для повышения азотного питания и урожайности пшеницы.

1. Болдышева, Е. П., Чудинов, В. А., Попова, В. И., & Бекмагамбетов, А. И. (2020). Применение минеральных удобрений под яровую пшеницу при ресурсосберегающей технологии проделывания на обыкновенном черноземе. Вестник омского государственного аграрного университета, 2(38), 41–51.

2. Веселов, С. Ю., Иванова, Т. Н., Симонян, М. В., & Мелентьев, А. И. (1998). Исследование цитокининов, продуцируемых ризосферными микроорганизмами. Прикладная биохимия и микробиология, 34(2), 175–179.

3. Завалин, А. А., & Соколов О. А. (2018) Азот и качество зерна пшеницы. Плодородие, 1(100), 14–17.

4. Завалин, А. А., Алферов, А. А., & Чернова, Л. С. (2019). Ассоциативная азотфиксация и практика применения биопрепаратов в посевах сельскохозяйственных культур. Агрохимия, 8, 83–96.

5. Завалин, А. А., Благовещенская, Г. Г., Шмырева, Н. Я., Чернова, Л. С., Соколов, О. А., Алферов, А. А., & Самойлов, Л. Н. (2015). Современное состояние проблемы азота в мировом земледелии. Агрохимия, (5), 83–95.

6. Коршунова, Т. Ю., Бакаева, М. Д., Кузина, Е. В., Рафикова, Г. Ф., Четвериков, С. П., Четверикова, Д. В., & Логинов, О. Н. (2021). Роль бактерий рода Pseudomonas в устойчивом развитии агросистем и защите окружающей среды (обзор). Прикладная биохимия и микробиология, 57(3), 211–227.

7. Кудеяров, В. Н., & Семенов В. М. (2014). Проблемы агрохимии и современное состояние химизации сельскохозяйственного производства в Российской Федерации. Агрохимия, (10), 3–17.

8. Миннебаев, Л. Ф., Кузина, Е. В., Рафикова, Г. Ф., Чанышев, И. О., & Логинов, О. Н. (2019). Продуктивность бобово-ризобиального комплекса под влиянием ростстимулирующих штаммов микроорганизмов. Сельскохозяйственная биология, 54(3), 481–493.

9. Прянишников, Д. Н. (1927). Собрание статей и научных работ: монография. Том 1. Москва: Работник просвещения.

10. Романова, И. Н., Князева, С. М., Глушаков, С. Н., Терентьев, С. Е., & Перепичай, М. И. (2016). Урожайность зерновых культур и уровень плодородия почвы в зависимости от внесения минеральных удобрений, типа почв в системе севооборота. Зерновое хозяйство России, (2), 57–61.

11. Серазетдинова, Ю. Р., Фотина, Н. В., Асякина, Л. К., Милентьева, И. С., Просеков, А. Ю. (2023). Ризобактерии Triticum spp. для снижения биотического стресса, вызванного фитопатогенными грибами. Хранение и переработка сельхозсырья, (4), 98–113. https://doi.org/10.36107/spfp.2023.4.515

12. Соколов, М. С., Глинушкин, А. П., Спиридонов, Ю. Я., Торопова, Е. Ю., & Филипчук, О. Д. (2019). Технологические особенности почвозащитного ресурсосберегающего земледелия (в развитие концепции ФАО). Агрохимия, (5), 3–20.

13. Тихонович, И. А., & Завалин А. А. (2016). Перспективы использования азотфиксирующих и фитостимулирующих микроорганизмов для повышения эффективности агропромышленного комплекса и улучшения агроэкологической ситуации в РФ. Плодородие, 5(92), 28–32.

14. Трапезников, В. К., Иванов, И. И., & Тальвинская, Н. Г. (1999). Локальное питание растений: монография. Уфа: Гилем.

15. Худайгулов, Г. Г., Логинов, О. Н., & Мелентьев, А. И. (2011). Экзополисахарид альгинатного типа Paenibacillus ehimensis 739. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 5, 214–217.

16. Ahmed, M., Rauf, M., Akhtar, M., Mukhtar, Z., & Saeed, N. A. (2020). Hazards of nitrogen fertilizers and ways to reduce nitrate accumulation in crop plants. Environmental science and pollution research, 27, 17661–17670. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08236-y

17. Asyakina, L. K., Vorob'eva, E. E., Proskuryakova, L. A., & Zharko, M. Yu. Evaluating extremophilic microorganisms in industrial regions. Foods and Raw Materials, 11(1), 162–171. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-556

18. Chandra, D., Srivastava, R., Glick, B., & Sharma, A. (2018). Drought-tolerant Pseudomonas spp. improve the growth performance of finger millet (Eleusine coracana (L.) Gaertn.) under non-stressed and drought-stressed conditions. Pedosphere, 28, 227–240. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(18)60013-X

19. Crawford, N. M., & Glass, A. D. M. (1998). Molecular and physiological aspects of nitrate uptake in plants. Trends in Plants Science, 3(10), 389–395. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(98)01311-9

20. Fageria, N. K., & Baligar, V. C. (2005). Enhancing nitrogen use efficiency in crop plants. Advances in Agronomy, 88, 97–185. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(05)88004-6

21. Faskhutdinova, E. R., Fotina, N. V., Neverova, O. A., Golubtsova, Y. V., Mudgal, G., Asyakina, L. K., & Aksenova, L. M. (2024). Extremophilic bacteria as biofertilizer for agricultural wheat. Foods and Raw Materials, 12(2), 348–360. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2024-2-613

22. Fox, A. R., Soto, G., Valverde, C., Russo, D., Lagares, A. Jr., Zorreguieta, Á., Alleva, K., Pascuan, C., Frare, R., Mercado-Blanco, J., Dixon, R., & Ayub, N. D. (2016). Major cereal crops benefit from biological nitrogen fixation when inoculated with the nitrogen-fixing bacterium Pseudomonas protegens Pf-5 X940. Environmental Microbiology, 18(10), 3522–3534. https://doi.org/10.1111/1462-2920.13376.

23. Khan, M. N., Mobin, M., Abbas, Z. K., Alamri, S. A. (2020). Fertilizers and Their contaminants in soils, surface and groundwater. Encyclopedia of the Anthropocene, 5, 225–240. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809665-9.09888-8

24. Kishorekumar, R., Bulle, M., Wany, A., & Gupta K. J. (2019). An overview of important enzymes involved in nitrogen assimilation of plants. Nitrogen Metabolism in Plants, 2057, 1–13. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-9790-9_1

25. Krapp, A. (2015). Plant nitrogen assimilation and its regulation: a complex puzzle with missing pieces. Current opinion in plant biology, 25, 115–122. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2015.05.010

26. Nagpal, S., Sharma, P., Sirari, A., Kumawat, K. C., Wati, L., Gupta, S. C., & Mandahal, K. S. (2021). Chickpea (Cicer arietinum L.) as model legume for decoding the co-existence of Pseudomonas fluorescens and Mesorhizobium sp. as bio-fertilizer under diverse agro-climatic zones. Microbiological Research, 247, 126720. https://doi.org/10.1016/j.micres.2021.126720

27. O'Brien, J. A., Vega, A., Bouguyon, E., Krouk, G., Gojon, A., Coruzzi, G., & Gutiérrez, R. A. (2016). Nitrate transport, sensing, and responses in plants. Molecular Plant, 9(2), 837–856. https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.05.004

28. Panpatte, D.G., Jhala, Y.K., Shelat, H.N., & Vyas, R.V. (2016). Pseudomonas fluorescens: A promising biocontrol agent and PGPR for sustainable agriculture. In: Singh, D., Singh, H., Prabha, R. (eds) Microbial Inoculants in Sustainable Agricultural Productivity. Springer, New Delhi. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2647-5_15

29. Parashar, M., Dhar, S. K., Kaur, J., Chauhan, A., Tamang, J., Singh, G. B., Asyakina, L., Perveen, K., Khan, F., Bukhari, N.A., Mudgal, G., & Gururani, M.A. (2023). Two novel plant-growth-promoting Lelliottia amnigena isolates from Euphorbia prostrata aiton enhance the overall productivity of wheat and tomato. Plants, 12, 3081. https://doi.org/10.3390/plants12173081

30. Pham, V. T., Rediers, H., Ghequire, M. G.., Nguyen, H. H., De Mot, R., Vanderleyden, J., & Spaepen, S. (2017). The plant growth-promoting effect of the nitrogen-fixing endophyte Pseudomonas stutzeri A15. Archives of Microbiology, 199(3), 513–517. https://doi.org/10.1007/s00203-016-1332-3.

31. Rafiq, M., Saqib, M., Jawad, H., Javed, T., Hussain, S., Arif, M., Ali, B., Bazmi, M. S. A., Abbas, G., Aziz, M., Al-Sadoon, M. K., Gulnaz, A., Lamlo, S. F., Sabir, M.A., & Akhtar, J. (2020). Improving quantitative and qualitative characteristics of wheat (Triticum aestivum L.) through nitrogen application under semiarid conditions. Phyton-international Journal of Experimental Botany, 92(4), 1001–1017. https://doi.org/10.32604/phyton.2023.025781

32. Safari, D., Jamali, F., Nooryazdan, H., & Bayat, F. (2018) Evaluation of ACC deaminase producing “Pseudomonas fluorescens” strains for their effects on seed germination and early growth of wheat under salt stress. Australian Journal of Crop Science, 12(3), 413–421. https://doi.org/10.21475/ajcs.18.12.03.pne801

33. Shrivastava, S., Egamberdieva, D., & Varma, A. (2015). Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) and medicinal plants: the state of the art. In: Egamberdieva, D., Shrivastava, S., Varma, A. (Eds.), Plant-growth-promoting rhizobacteria (PGPR) and medicinal plants. Soil Biology, vol 42. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-13401-7_1

34. Singh, P., Singh, R. K., Li, H. B., Guo, D. J., Sharma, A., Verma, K. K., Solanki, M. K., Upadhyay, S. K., Lakshmanan, P., Yang, L. T., & Li, Y. R. (2020). Nitrogen fixation and phytohormone stimulation of sugarcane plant through plant growth promoting diazotrophic Pseudomonas. Biotechnology and Genetic Engineering Review, 40(1), 1–21. https://doi.org/10.1080/02648725.2023.2177814

35. Singh, R. K., Singh, P., Sharma, A., Guo, D. J., Upadhyay, S. K., Song, Q. Q., Verma, K. K., Li, D. P., Malviya, M. K., Song, X. P., Yang, L. T., & Li, Y. R. (2022). Unraveling nitrogen fixing potential of endophytic diazotrophs of different Saccharum species for sustainable sugarcane growth. International Journal of Molecular Sciences, 23(11), 6242. https://doi.org/10.3390/ijms23116242

36. Temple, S. J., Vance, C. P., & Gantt, J. S. (1998). Glutamate synthase and nitrogen assimilation. Trends in Plants Science, 3(2), 51–56. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(97)01159-X

37. Yarzábal, L. A., Monserrate, L., Buela, L., & Chica, E. (2018). Antarctic Pseudomonas spp. promote wheat germination and growth at low temperatures. Polar Biology, 41, 2343–2354. https://doi.org/10.1007/s00300-018-2374-6