Ресурсосберегающая роль растительно-микробных взаимодействий в растениеводстве


НазваниеРесурсосберегающая роль растительно-микробных взаимодействий в растениеводстве
страница1/6
ПЕТРОВА Светлана Николаевна
Дата конвертации29.09.2012
Размер0,75 Mb.
ТипАвтореферат
СпециальностьОбщее земледелие
Год2011
На соискание ученой степениДоктор сельскохозяйственных наук
  1   2   3   4   5   6



На правах рукописи


ПЕТРОВА Светлана Николаевна


РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩая роль РАСТИТЕЛЬНО-МИКРОБНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ


Специальность: 06.01.01 – общее земледелие


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук


Орел – 2011


Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»


Научный консультант:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН

Парахин Николай Васильевич


Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент РАСХН Черкасов Григорий Николаевич


доктор биологических наук, профессор

Вишнякова Маргарита Афанасьевна


доктор биологических наук, профессор

Симаров Борис Васильевич


Ведущая организация:

ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт кормов им. В.Р. Вильямса» Россельхозакадемии (г. Лобня)



Защита состоится «__»________2011 г. в 14 час. 30 мин. на заседании

диссертационного совета ДМ. 220. 052.01 при ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» по адресу: 302019, г. Орел, ул. генерала Родина, 69.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».


Просим Вас принять участие в заседании Диссертационного совета и прислать свой отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью.


С авторефератом можно ознакомиться на сайте ВАК vak.ed.gov.ru и университета www.orelsau.ru


Автореферат разослан «____»___________2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Л.П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Значимость первостепенной роли продовольственной безопасности страны позволила сформулировать важнейшие национальные приоритеты, среди которых на первый план выходит энерго- и ресурсобережение (Медведев, 2009). В сельском хозяйстве эта проблема наиболее актуальна, поскольку АПК России традиционно является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства. Имеющийся мировой опыт свидетельствует, что энергоемкость производимой в России продукции в 4-6 раз выше, чем в странах Запада, что делает отечественную продукцию неконкурентоспособной на мировом рынке (Данилов, 2000; Епишков, 2001 Нисанов, 2007). Поэтому в современных условиях к решению проблем энергосбережения в АПК следует относиться как к важнейшим стратегическим инновациям. Существует необходимость использования в современных технологиях факторов, реально влияющих на фотосинтетическую производительность агрофитоценозов, и снижения затрат исчерпаемых ресурсов на каждую дополнительную единицу продукции.

В этой связи актуальным с точки зрения ресурсосбережения, а также получения экологически безопасной, качественной продукции растениеводства, является использование в сельскохозяйственной практике растительно-микробных симбиозов. Симбиотические взаимодействия с микроорганизмами широко освещены в литературе (Виноградский, де Бари, Франк, Мишустин, Красильников, Бейеринк, Посыпанов, Тихонович, Проворов, Наумкина, Вэнс, Рёмхельд, Мартин и мн. др.) и играют исключительно важную роль в жизни растений, обеспечивая их минеральное питание, адаптацию к абиотическим стрессам, а также защиту от патогенов и вредителей (Проворов, Тихонович, 2003; Белимов, 2008; ).

Однако, существующие на сегодняшний день технологии возделывания сельскохозяйственных культур рассматривают использование полезных ризосферных микроорганизмов лишь как «опцию», а не ключевой элемент снижения энергозатратности и повышения адаптивности агофитоценозов. Вследствие этого агроэкосистемы недополучают колоссальное количество биогенных элементов. Не обоснован экологический подхода к решению проблемы энергосбережения в растениеводстве, позволяющий за счет формирования эффективных растительно-микробных систем реализовать потенциал не только культуры, но и сорта. Отсутствуют систематизированные исследования, позволяющие сделать необходимые заключения о возможности повышения эффективности симбиотических систем применительно к конкретным условиям региона.

Цель исследований – теоретически обосновать и разработать научно обоснованные предложения по ресурсосбережению в растениеводстве за счет эндо- и экзогенной регуляции растительно-микробных взаимодействий (РМВ), способствующих повышению эффективности использования солнечной энергии агроценозами.


Задачи исследований:

- Дать сравнительную оценку симбиотического потенциала однолетних и многолетних видов бобовых культур;

- Изучить способность видов бобовых формировать эффективный симбиоз с различными группами эндофитов;

- Определить роль сорта в формировании растительно-микробного симбиоза.

- Изучить влияние экзогенных факторов регуляции растительно-микробных взаимодействий на экологическую приспособленность (продуктивность, устойчивость к вредным организмам) агробиоценозов, а также качество получаемой продукции и выявить наиболее эффективные растительно-микробные системы.

- Определить количество почвенных диазотрофов в зависимости от эффективности формирования растительно-микробных систем с помощью методов молекулярно-генетического анализа.

- Выявить эффективность использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза при формировании симбиоза растений с полезной ризосферной микрофлорой.

- Провести анализ фактического использования растительно-микробных взаимодействий в сельскохозяйственной практике ЦЧР (на примере Орловского региона).

- Разработать систему мер по снижению затрат ископаемой энергии в агробиоценозах на основе растительно-микробных взаимодействий при высокой биологической и хозяйственно-экономической эффективности

Научная новизна.

Комплексное изучение растительно-микробных взаимодействий является новым подходом в поиске эффективной возможности снижения ресурсозатратности при производстве растениеводческой продукции.

Осуществлена комплексная проверка эффективности взаимодействия ценных сортов бобовых культур тремя наиболее известными группами эндофитов: с Rhizobium leguminosarum, консорциумом ассоциативных бактерий (PGPR) и эндомикоризными грибами Glomus.

Показано, что интродукция полезных почвенных микроорганизмов в ризосферу растения приводит к изменению скорости световых реакций фотосинтеза (в зависимости от сорта и эндофита) и повышению их эффективности.

С помощью методов молекулярно-генетического анализа выявлено количество диазотрофов темно-серой лесной почвы и изменение численности и структуры почвенного сообщества микроорганизмов в ответ на использование эндо- и экзогенных факторов регуляции РМВ.

Проведенные исследования экзо- и эндогенной регуляции растительно-микробных взаимодействий направлены на разработку и создание агробиологического паспорта сорта зернобобовых культур.

Применительно к региону дано обоснование использования РМС. Выявлено положительное влияние активизации растительно-микробных взаимодействий на экологическую приспособленность сельскохозяйственных культур в регионе.

Практическая значимость:

Работа направлена на решение важной народно-хозяйственной и научной проблемы – энергосбережение.

Полученные результаты позволяют обеспечивать в условиях производства системный подход к разработке сортовой технологии зернобобовых культур а также способам создания высокопродуктивных фитоценозов многолетних бобовых трав, учитывающих способности культурных растений к образованию симбиозов с микроорганизмами ризосферы, позволяющих наиболее полно использовать биологический и генетический потенциал растений.

Почвенный мониторинг микробных сообществ с помощью методов молекулярно-генетического анализа, использованный в работе, может служить дополнительным и важным источником информации фактического плодородия почвы.

Изучение функциональной активности фотосистемы II с помощью метода индукции флуоресценции хлорофилла открывает возможность его использования в качестве теста на чувствительность растений к микробным препаратам (и другим экзогенным влияниям).

Показана возможность сочетания химических и биологических средств (микробных препаратов) регуляции роста и развития растений, которые могут усиливать действие друг друга.

Положения выносимые на защиту.

Экспериментально-теоретическое обоснование использования потенциала живой фазы почвы для повышения экологической приспособленности сельскохозяйственных культур и качества продукции.

Использование генотипов бобовых, формирующих наиболее эффективные растительно-микробные симбиозы, с целью снижения затрат техногенного азота на производство продукции растениеводства.

Повышение продуктивности агроэкосистем на основе применения эффективных способов экзогенной регуляции растительно-микробных взаимодействий.

Биологическая эффективность создания растительно-микробных систем.

Повышение эколого-хозяйственной устойчивости растениеводства за счет комплексного использования РМС.

Апробация работы.

Основные результаты исследований были апробированы на научно-теоретических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орел, 1999 – 2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Роль современных сортов и технологий в сельскохозяйственном производстве» (Орел, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в отраслевую науку с учетом современных тенденций развития АПК» (Москва, 2008); Всероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах (Пущино, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Курск, 2009); Всероссийской конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Сергиев Посад, 2009); Всероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах» (Пущино, 2009); Первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); Втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); Международной конференции молодых ученых стран Восточной Европы (г. Штуттгарт, 1999); Международной научно-методической конференции «Продукционный процесс сельскохозяйственных культур» (Орел, 2001); Втором Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008); Международной научно-практической конференции ОФР «Интенсификация и оптимизация продукционного процесса сельскохозяйственных растений» (Орел, 2009); 14-й Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2010). II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2010); Международной конференции DGaaE (Гёттинген, 2009), Энтомологическом конгрессе DGaaE (Берлин, 2011.).

Результаты исследований послужили основой для создания научных проектов, ставших победителями во всероссийских и международных конкурсах: Российского фонда фундаментальных исследований офи_ц №07-04-13566 (2007), №08-04-13565 (2008-2009), моб_ст №09-04-90815 (2009), моб_ст №11-04- (2011); Российского аграрного движения (РАД) в номинации «Лучший инновационный проект в сфере АПК» (Орел, 2010) и Научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 (Москва, ВВЦ, 2010); Германской службы академических обменов ДААД «Николай Вавилов» (Штуттгарт, 2002, 2006) г.; Европейском международном конкурсе Erasmus-Mundus (Штуттгарт, 2008).

Результаты исследований экспонировались на выставке молодежных проектов II Всероссийского молодежного Конвента в 2009 г. (победитель регионального Конвента в номинации «лучший инновационный проект»), на ВВЦ «НТТМ-2010» в 2010 г. (золотая медаль).

Полученные результаты явились основой научно-исследовательской работы, выполненной по двум Государственным контрактам с Министерством сельского хозяйства Российской ГК 1301/13 и ГК 02.512.11.2069 «Сохранение и восстановление плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 гг».

Результаты работы использованы в учебном процессе и вошли в учебное пособие «Адаптивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур в условиях Орловской области», Орел: изд-во ОрелГАУ. – 2010. – 210 с., Практикум по растениеводству. –М.: КолосС, 2010. – 240 с.

Публикации. По теме диссертации в отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 60 работ, в том числе 22 – в рецензируемых изданиях, а также 1 монография.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 300 страницах текста, состоит из введения, шести глав, выводов, предложений производству. Содержит 60 таблиц и 61 рисунок. Список литературы включает 450 источников, в том числе 130 на иностранных языках.

Личное участие автора в проведении экспериментов составляет 75 %. Закладка полевых, вегетационных и лабораторных опытов, анализ и обобщение результатов исследований были проведены автором лично.

Автор выражает искреннюю благодарность академику РАСХН, ректору ОрелГАУ профессору Н.В. Парахину; заместителю директора ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, доктору сельскохозяйственных наук Т.С. Наумкиной, главному научному сотруднику отдела селекции зернобобовых культур А.Н. Зеленову; заведующему лабораторией микробиологического мониторинга и биоремедиации почв ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, кандидату биологических наук Е.Е. Андронову, заведующему лабораторией экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий ВНИИ СХМ А.П. Кожемякову; доктору сельскохозяйственных наук, профессору кафедры растениеводства Орел ГАУ А.В. Амелину, доктору сельскохозяйственных наук, профессору кафедры экотоксикологии и защиты растений Орел ГАУ Н.Н. Лысенко за консультации по обсуждаемым в данной работе вопросам. Автор признателен кандидатам сельскохозяйственных наук, научным сотрудникам Отдела проблемных исследований сельского хозяйства ОрелГАУ Ю.В. Кузмичевой, Н.И. Прилепской, И.В. Антонову, Е.И. Чекалину за сотрудничество и помощь в проведении исследований.


2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные эксперименты проведены в 1998-2010 гг. на базе ФГОУ ВПО ОрелГАУ совместно с лабораториями селекции гороха и фасоли, микробиологии Всероссийского научно-исследовательского института зернобобовых и крупяных культур, а также ВНИИ СХМ.

Годы исследований (1998…2010) по метеорологическим условиям были различными и некоторые из них существенно отличались от среднемноголетних величин. По данным АГМС г.Орла и собственным наблюдениям, вегетационные периоды 1999, 2002, 2007 и, в особенности, 2010 годов характеризовались в основном сухой и жаркой погодой, а в 2000, 2003 и 2006 годы – избыточным увлажнением, прежде всего, во время налива семян гороха и люпина. В остальные годы метеоусловия по основным показателям (количества осадков, температура и относительная влажность воздуха) были близки к средним многолетним данным, хотя и не во все периоды развития растений. Наиболее типичная погода для данной зоны наблюдалась в 1998, 2001, 2004, 2005 и 2008 годы, а наиболее благоприятная для создания эффективных РМС – в 2000, 2004, 2005, 2008 и 2009 годы.

Объектами полевых исследований служили:

- при изучении симбиотической активности, урожайности и белковой продуктивности многолетних бобовых трав в одновидовых посевах - люцерна гибридная - Medicago varia сорт Вега - 87, клевер луговой Trifolium pratense сорт ВИК - 7 и козлятник восточный Galega orientalis сорт Гале; а в смешанных посевах - пастбищные травосмеси на основе клевера ползучего и райграса пастбищного:

Травосмесь №1: клевер ползучий Rivendel (4 кг/га) + райграс пастбищный ВИК 66 (12 кг/га) + клевер луговой ВИК 7(6 кг/га).

Травосмесь №2. клевер ползучий Rivendel (4 кг/га) + райграс пастбищный ВИК 66 (12 кг/га) + люцерна изменчивая Пастбищная 88 (6 кг/га).

Травосмесь №3. клевер ползучий Rivendel (4 кг/га) + райграс пастбищный ВИК 66 (12 кг/га).

Травосмесь №4 (контроль): кострец безостый Факел (10 кг/га), тимофеевка луговая ВИК 9 (5 кг/га), клевер луговой Орловский среднеранний (5 кг/га), клевер ползучий ВИК-70 (3 кг/га), лядвенец рогатый Дединовский (3 кг/га), райграс пастбищный ВИК-66 (5 кг/га);

- при изучении взаимодействия бобовых растений с тремя основными группами эндофитов (клубеньковые бактерии, PGPR и грибы арбускулярной эндомикоризы) – районированные и перспективные сорта зернобобовых культур: горох посевной Татьяна, Спартак, Темп и Фараон, люпин узколистный Орловский сидерат и Кристалл, соя Ланцетная и Свапа;

- в исследованиях по формированию симбиозов в посевах зерновых культур – яровая мягкая пшеница Крестьянка;

- при оценке последействия симбиотической азотфиксации – пшеница озимая Московская 39;

Опытный материал выращивался на делянках площадью 10-150 м2 в 4-х кратной повторности, размещение делянок рендомизированное. В осенне-зимний период опыты проводили в условиях теплицы при температуре воздуха 20±2 оС, относительной влажности 75% и люминесцентном освещении.

Опыты с многолетними бобовыми травами (1998-2000 и 2001-2005 гг.) были расположены в учхозе Лавровский в условиях полевого севооборота кафедры земледелия и растениеводства. Почва темно-серая лесная, содержание гумуса 4,7%, подвижного фосфора - 10,3 и 10,8 мг/100 г – обменного калия, рН – 5,8.

Для создания оптимальных условий симбиотических взаимодействий растений и микроорганизмов, в почву вносили известь из расчета, что 1 т СаСО3 сдвигает рН среднесуглинистой почвы на 0,1 единицы на 1 га (7 т/га).

Перед посевом семена обработали молибденовокислым аммонием - 50 г на гектарную норму семян и борной кислотой из расчета 1 кг бора на гектар.

Посев обычный, рядовой, беспокровный, с рекомендованными нормами высева в данной зоне. Глубина посева 1-2 см.

Опыты с многолетними злаково-бобовыми травосмесями (2001-2005 гг.) были заложены на тёмно-серой лесной среднесуглинистой глееватой почве со средним содержанием подвижного фосфора и калия.

Схема опыта включала блок со 100 и 50% нормой высева пастбищных травосмесей. Посев травосмесей был проведен весной обычным рядовым, беспокровным способом.

Стравливание травостоя производилось при помощи электроизгороди. По мере отрастания зеленой массы травостоев проводили стравливание, затем – подкашивание. Осенью каждого года осуществляли подкормку трав минеральными тукосмесями N10P24K24.

Опыты с однолетними зернобобовыми культурами (2007-2010 гг.).

Почва опытного участка темно–серая лесная среднесуглинистая, подстилаемая лессовидным суглинком, средней окультуренности (среднее содержание гумуса 5,1%, подвижного фосфора – 23,3, обменного калия – 9,7 мг/100 г почвы, рНсол – 5,3, гидролитическая кислотность – 4,4 мг экв./100 г почвы). Предшественник – ячмень. Микрорельеф участка выровненный.

Опытный материал был выращен в полевом селекционном севообороте, площадь делянки - 10 м2, повторность 4-х кратная. Размещение делянок – рендомизированное.

В опытах изучали влияние применения мелиорантов химического и биологического происхождения на формирование эффективных РМС у современных сортов гороха, сои и люпина:

Горох

Соя

Люпин

Микробные препараты

1

Шт.Rhizobium 250а

1

Шт.Rhizobium 626а

1

Шт.Rhizobium 367

2

Шт. Rhizobium 260б

2

Шт.Rhizobium 634а

2

Шт.Rhizobium 375

3

Шт. Rhizobium 263б

3

Шт.Rhizobium 645

3

Шт.Rhizobium 388

4

АМ *

4

АМ

4

АМ

5

PGPR **

5

PGPR

5

PGPR

6

Компл.***

6

Компл.

6

Компл.

Химические мелиоранты

7

N30

7

N30

7

N30

8

К140

8

К140

8

К140

9

Известь

9

Известь

9

Известь


*АМ – препарат на основе грибов арбускулярной микоризы (внесение в почву)

** PGPR – препарат PGPR БисолбиСан (опрыскивание всходов)

***Компл.PGPR (опрыскивание всходов) + АМ (внесение в почву) + ризоторфин на основе штамма 250а (инокуляция семян) + молибденовокислый аммоний (Мо) (обработка семян)

Микробные препараты разработаны во ВНИИ СХМ (г. Санкт-Петербург). PGPR – препарат представляет собой чистую культуру ассоциативных бактерий; АМ – почвенно-корневая смесь из-под микоризованной суданской травы; Rhizobium - селективные штаммы клубеньковых бактерий.

Штаммами Rhizobium проводили предпосевную инокуляцию семян из расчета 200 г на гектарную норму семян. PGPR опрыскивали всходы растений (10% р-р). АМ вносили в почву перед посевом из расчета 5 ц/га. Варианты с применением минеральных удобрений включали внесение в почву: N30 в виде аммиачной селитры, К40 в виде сульфата калия, а также известковых удобрений в виде доломитовой муки – 3 т/га. Молибденовокислым аммонием (Мо) обрабатывали семена перед посевом (50 г/га).

Пробы почвы для молекулярно-генетического анализа отбирали в агроценозах гороха в фазу 6-7 настоящих листьев в стерильные пластиковые емкости 50 мл (Falcon), которые хранили в морозильной камере при –20 оС.

Работа с насекомыми. В качестве вредителя пшеницы была выбрана черёмуховая тля Rhopolosiphum padi L., а Aphis faba L. – в качестве вредителя гороха. Разведение насекомых также проводили в тепличных условиях при 20 0C. Для получения развитого потомства тлей были использованы маленькие пластиковые клеточки (3,5 см Ø), которые фиксировались с помощью прищепки и тонкой деревянной рейки на лист растения. Опыт был синхронизирован.

Учет надземной и корневой фитомассы, проводили согласно методике Г.С. Посыпанова (1991). Сухую массу растения устанавливали весовым методом после высушивания при температуре 105ºС. При этом отбирали из среднего образца навески по 25 г для зоотехнического анализа растений.

Формирование площади листьев определяли методом высечек (Корнилов А.А.,1957), а также с помощью фотопланиметра Li-3000c (США)

Анализ функционального состояния фотосинтетического аппарата сортов проводили методом регистрации индукции флуоресценции хлорофилла листьев у интактных растений с использованием портативного прибора Mini-PAM немецкой фирмы Walz (Bilger &Schreiber, 1995).

Фотосинтетический потенциал - ФП определяли по методике Ничипоровича А.А. и др. (1961). Чистую продуктивность фотосинтеза – ЧПФ рассчитывали как частное от деления прироста сухой массы на ФП (Синякова, Иванова, 1981).

Уровень использования солнечной радиации посевами (КПД ФАР) рассчитывали используя формулу:

Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена (Чундерова, 1980) в модификации А.С. Шаина (1990) на газовом хроматографе «Цвет–4». Количество фиксированного азота определяли расчетным методом (Орлов, 1984).

Регистрация проникновения стилета тли в растение была проведена посредством методики Tjallingii (1978,1988). Для анализа полученных данных было использовано программное обеспечение Software Stylet 2.3 (Tjalingii, 2000).

Почвенную ДНК выделяли из навески темно-серой лесной почвы 0.5 г (Ausubel, 1994). Определение численности основных групп микроорганизмов проводили с использованием ПЦР с детекцией в реальном времени с помощью амплификатора iCycler (BioRad) в трех повторностях. Амплификацию фрагмента гена nifH проводили с использованием пары вырожденных праймеров F1- R6 (Марусина и др., 2001), синтез которых осуществляла фирма «Синтол» (Москва).

Изучение структуры урожая у растений, отобранных в фазу полной спелости, проводили согласно методике Госсортсети (1971).

Биохимический анализ семян зернобобовых культур определяли с помощью анализатора зерна Infratec™ 1241 по оригинальной методике (Foss).

Биоэнергетическая оценка эффективности производства бобовых проведена с использованием методики Е.Н. Базарова и Е.В. Глинки «Биоэнергетическая оценка технологий производства продукции растениеводства» (1983).

Полученные экспериментальные данные подвергнуты математическому анализу с учетом методических рекомендаций Б.А. Доспехова (1985) с помощью приложения CXSTAT к компьютерной программе Excel.

  1   2   3   4   5   6

Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница