Состояние изученности вопроса

Состояние изученности вопроса. Биологическая фиксация азота - одна из кардинальных проблем современного земледелия и растениеводства, так как резкое сокращение применения минеральных и органических удобрений приводит к снижению продуктивности и ухудшению качества растениеводческой продукции, падению плодородия почвы. В связи с поиском путей увеличения производства растениеводческой продукции при одновременном снижении доз минеральных удобрений и улучшении экологической обстановки, возрос интерес к препаратам, созданным на основе высокоэффективных штаммов ассоциативных микроорганизмов, применяемых для инокуляции семян злаковых культур.

Положительное влияние инокуляции на растение обусловлено не только улучшением азотного питания растений, при внедрении в их ризосферу диазотрофов, но и воздействием микроорганизмов через физеологически активные вещества и микробиологический эффект Завалин, 1999 . После открытия способности азотфиксирующих микроорганизмов вступать в ассоциации с не бобовыми растениями, во всем мире были начаты и стремительно развиваются исследования ассоциативной несимбиотической азотфиксации.

Результаты недавних исследований показали, что инокуляция микробными препаратами может улучшать урожаи сельскохозяйственных культур, не вызывая значительных изменений естественной ризосферной микрофлоры Кожемяков, Хотенович,1997,O Gara,Nuti,1995 . Были получены положительные результаты инокуляции различными видами микроорганизмов таких культур, как рис, сахарный тростник, картофель, пшеница, кукуруза Базилинская,1989 . При инокуляции колосовых культур ассоциативными диазотрофами увеличение продуктивности обычно составляет 10-30 Кожемяков,1989 . У сортов, отзывчивых на обработку биопрепаратами прибавка может достигать 40 Сергалиев, 1997,1998 . Следует отметить, что при этом не оказывается существенного влияния на качество сельскохозяйственной продукции Завалин и др. 97, Виноградова и др , 1997, Сергалиев, 1997, Воробьева и др, 1997, Лыцук,1997, Никулина и др, 1998, Алметов, Бердников, 1998, Завалин, 1998 . В результате исследований установлено, что при использовании биопрепаратов необходимо учитывать генотипические особенности растений.

Инокулирование низкоактивных по nis-признаку генотипов может привести к снижению биомассы растений Степаненко,1989 . Применение в сельском хозяйстве биопрепаратов чистых культур азотфиксирующих бактерий часто дает непредсказуемые результаты.

Более эффективным считается применение естественных смешанных ризосферных культур консорциумов бактерий.

Инокуляция этим консорциумом семян ячменя в полевых вегетативных опытах давала 10 прибавки, в то время как обработка каждым компонентом в отдельности не давала значительного увеличения урожая Злотников,1996 . Отмечается, что уровень нитрогеназной активности в корневой зоне того или иного растения определяется генотипом данного растения Емцев, 1991 . Факт штаммовых различий при инокуляции ячменя в зависимости от генотипических особенностей отмечается и другими авторами Танцева, Черемисов, 1992, Завалин и др 1999 . Фиксировать молекулярный азот воздуха могут только прокариотные микроорганизмы - бактерии, цианобактерии, актиномицеты.

В год биологическим путем связывается около 169-269 106 т азота Мишустин, Черенков, 1989, Базилинская, 1989 .Помимо фиксации азота из атмосферы, асоциативные диазотрофы продуцируют физеологически активные вещества- ауксины, гибберелины, цитокинины, способствующие увеличению массы корней и усилению их поглотительной способности, а так же способны активизировать развитие репродуктивных органов и подавлять фитопатогенных микроорганизмов, обитающих на корнях растений.

Базилинская,1989 . Согласно современным представлениям ассоциативные азотфиксаторы - это микроорганизмы, образующие эндоризосферные ассоциации с корнями не бобовых растений Умаров,1986, Базилинская, 1988 . На долю фиксированного ассоциативными и свободноживущими микроорганизмами азота приходится около 30 от общего числа.

Суть ассоциативной азотфиксации- трофические и энергетические взаимодействия организмов, выражающиеся в протокооперации Шумный, 1993 . Следует отметить, что образование ассоциаций возможно на поверхности листьев филосфера, корней ризосфера, стеблей каулосфера. Возникновение ассоциаций зависит от генотипических способностей растения и обозначена как признак nis. Этот признак лучше развит у С-4 растений кукуруза, сорго. У них накопление первичного продукта фотосинтеза- малата и перемещение его к корням способствует усилению фиксации атмосферного азота.

С-3 растения пшеница, ячмень, рожь, овес - у них фотосинтез идет менее интенсивно, активность нитрогеназы ниже. Следует отметить, что образование ассоциаций растений с диазотрофными микроорганизмами контролируется несколькими генами, которые помимо этой функции осуществляют контроль за иммунитетом и высотой стеблей.

Под воздействием генов короткостебельности возрастает интенсивность поступления фотоассимилянтов в ризосферу, что обеспечивает увеличение численности микроорганизмов, способных к ахотфиксации. Установлено что азотфиксирующие ассоциации образуются между растениями и микроорганизмами различной таксономической принадлежности, и в зависимости от вида растений и экологических условий, в ризосферных сообществах доминируют определенные виды диазотрофов.

Одно из условий существования микрофлоры в ризосфере - поступление корневых выделений и опада. Известно, что вещества, содержащиеся в корневых выделениях аминокислоты, могут являться аттрактантами для ризосферных бактерий Жулин, Игнатов, 1986 . Механизм движения бактерий к корню растения основан на явлениях хемотаксиса и аэротаксиса. Корни растения при дыхании активно потребляют кислород, и вблизи создается градиент концентрации кислорода.

Так же в результате корневых выделений в зоне корней создается градиент концентрации веществ, входящих в состав этих выделений Чумаков,1997 . Бактерии, благодаря набору разнообразных рецепторов движутся в сторону повышения градиентов. Следующий этап в образовании ассоциации - размножение бактерий на поверхности корня, в ризоплане Чумаков,1997 . Для размножения важны бактериальные факторы подавления других микроорганизмов антибиотики, ксенобиотики, бактериоцины, и устойчивость к антибиотикам, которые выделяет растение- хозяин.

Следующий этап- инфекцирование, он проходит в несколько стадий- неспецифическая и специфическая адсорбция Котусов и др, 1984 . Следующим этапом является инфекция корневого волоска и образование инфекционной нити Ремпе, 1951 . Способность проникать во внутренние ткани корня является распространенной среди ассоциативных бактерий, и по этому свойству они отличаются от свободноживущих бактерий Чумаков, 1997 . По результатам исследований установлено, что проникновение осуществляется в местах присоединения боковых корней, в трещинах корневых волосков Collinson et al. 1998 . Следует отметить, что активная азотфиксация протекает не только в горизонте А, но и в других горизонтах- В и С Клевенская, 1991 . На размеры азотфиксации в ризосферных ассоциациях влияет много факторов.

Наиболее велики они у тропических растений 200-600 кг N на гектар в год. В нашей климатической зоне у злаковых культур накапливается до 50 кг N за вегетационный период Умаров, 1986 . Установлено, что почвы отличаются друг от друга по активности азотфиксации от 0,5-1,5 кг N гектар в год в почвах умеренной зоны, до 200-600 кг N гектар в год в почвах тропической зоны Егоров, 1982 . Значение для азотфиксации такого фактора, как влажность, изучено многими авторами.

Доказана прямая зависимость между влажностью почвы и активностью азотфиксации. Наиболее четко эта закономерность прослеживается в засушливых условиях, где недостаток влаги подавляет азотфиксацию Клевенская, 1976 . Положительно влияет на азотфиксацию присутствие углеродосодержащих веществ в почве.

Отмечено повышение урожайности при совместном внесении соломы и бактериальных препаратов. Так же положительно влияет применение удобрений и мелиорантов Завалин, 1998, Мехтиев, 1979 .Отмечается, что ингибирование процесса азотфиксации возможно под влиянием высоких доз минеральных удобрений Клевенская, 1991 . В условиях минимального применения удобрений в странах третьего мира и в Российской Федерации, азотфиксация может внести огромный вклад в получение сельскохозяйственной продукции.

Анализ опубликованных работ по вопросу действия минеральных удобрений на урожайность и качество зерна ячменя, вынос и коэффициенты использования элементов питания из удобрений разработаны довольно широко и опубликованы в печати. Однако, появившиеся в последние годы препараты на основе ризосферных диазотрофов, обеспечивающие злаковые растения азотом, стимулирующие рост и развитие растений за счет продуцирования физеологически активных веществ различных групп, требуют настоятельной необходимости разработки приемов их использования в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур, что требует выявления их роли в формировании величины и качества урожайности зерна ячменя. 2.