ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИНК-СОЛЮБИЛИЗИРУЮЩИХ PОСТСТИМУЛИРУЮЩИХ РИЗОБАКТЕРИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РОСТА И БИОФОРТИФИКАЦИИ СЕЯНЦЕВ TRITICUM AESTIVUM
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИНК-СОЛЮБИЛИЗИРУЮЩИХ PОСТСТИМУЛИРУЮЩИХ РИЗОБАКТЕРИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РОСТА И БИОФОРТИФИКАЦИИ СЕЯНЦЕВ TRITICUM AESTIVUM
Аннотация
Представлены результаты исследования, направленного на оценку влияния двух селективных штаммов Zn-солюбилизирующих ростстимулирующих ризобактерий (Pseudomonas sp. CTF2 и Bacillus sp. CTF3) на рост и биологическую ценность сеянцев пшеницы при выращивании их в модельных условиях. Cемена пшеницы стерилизовали и инокулировали выращенными на среде Луриа–Бертани штаммами (108 КОЕ/мл) в течение 2 часов. Инокуляция ризобактериями повышала надземную биомассу 18-дневных сеянцев (в среднем на 17%), содержание хлорофиллов и каротиноидов (в среднем на 20%), количество растворимых фенолов (в среднем на 18%) и биофильных элементов (N, P, K, Zn, Fe). При этом наиболее значимый эффект ризобактерии оказывали на накопление флавоноидов и железа, увеличивая их содержание в среднем в 1,6 раза. Результаты исследования позволяют рекомендовать использование изученных штаммов в качестве эффективных биоинокулянтов для биофортификации микрозелени.
1. Введение
В связи с ростом населения все более актуальной становится проблема продовольственной безопасности, одной из составляющих которой является сбалансированное питание , . Биобогащение растительного сырья и пищевых продуктов витаминами, антиоксидантами и эссенциальными элементами (биофортификация) является одной из стратегий, нацеленных на устранение их дефицита в рационе человека , , .
В последние годы усилия многих ученых в разных странах направлены на изучение возможностей микробиологической биофортификации сельскохозяйственных культур с использованием ризосферных бактерий, стимулирующих рост растений (от англ. «Plant Growth Promoting Rhizobacteria», PGPR), которые повышают биодоступность макро- и микроэлементов в почве и способствуют обогащению культур биологически активными веществами и биофильными элементами , , , .
В настоящее время цинк и железо относят к наиболее важным микроэлементам с точки зрения глобального общественного здравоохранения. Широкое распространение дефицита этих элементов не только в развивающихся, но и развитых странах определяет необходимость разработки эффективных путей обогащения ими рациона питания , . В этом контексте использование PGPR, способных растворять недоступные для растений соединения цинка, а также продуцировать сидерофоры, способствующие обогащению растений железом, в качестве ризобактериальных инокулянтов является экономически эффективной и экологически безопасной альтернативой химическим удобрениям , .
Однако до сих пор микробиологическая биофортификация не получила широкого практического применения, поскольку не все штаммы PGPR обладают нужными положительными качествами и способностью к культивированию.
Цель исследования – оценка эффективности использования двух селективных штаммов Zn-солюбилизирующих PGPR для улучшения роста сеянцев Triticum aestivum L. (пшеница мягкая озимая сорт Еланчик) и повышения их биологической ценности.
2. Методы и принципы исследования
Для оценки влияния Zn-солюбилизирующих ризобактерий на морфофизиологические параметры сеянцев пшеницы и накопление важных нутриентов использовали два селективных штамма PGPR: CTF2 – Pseudomonas sp. и CTF3 – Bacillus sp., выделенных из ризосферы Tussilago farfara L. (мать-и-мачеха обыкновенная).
Эксперимент включал контрольный вариант (без инокуляции) и два опытных, с инокуляцией предварительно поверхностно простерилизованных семян пшеницы выделенными PGPR-штаммами (108 КОЕ/мл) в течение 2 часов.
Семена высаживали на дважды автоклавированный (130 °С) нейтрализованный низинный торфяной субстрат в контейнеры объемом 3 л (по 150 семян в каждый, повторность трехкратная). Растения выращивали в течение 18 дней в фитокамерах при освещенности 180 ± 20 мкмоль/м2 с, фотопериоде – 14:10 (день:ночь), температуре – 25 ± 2 °C, после чего побеги отделяли от корней и измеряли сырую и сухую биомассу.
Содержание хлорофиллов а, b (Хл а, Хл b) и каротиноидов определяли спектрофотометрически («APEL» PD-303UV, Япония) при 470, 647 и 663 нм после экстрагирования навески свежих листьев в 80% растворе ацетона . Количество растворимых фенольных соединений, в том числе флавоноидов, оценивали после суточного экстрагирования в 80%-ном этаноле. Содержание растворимых фенолов измеряли при 725 нм после реакции с 0,1 Н реактивом Фолина–Чокальтеу . В качестве стандарта использовали галловую кислоту. Количество флавоноидов измеряли при 420 нм после 15-мин реакции с 10%-м раствором AlCl3 , используя в качестве стандарта раствор рутина.
Общее содержание азота (N) и фосфора (P) в побегах пшеницы определяли спектрофотометрически после озоления сухого растительного материала смесью концентрированных серной и хлорной кислот (10:1, по объему). Количество азота измеряли при 400 нм после проведения реакции с реактивом Несслера . Содержание фосфора определяли при 660 нм после проведения реакции с молибдатом аммония в кислой среде . Содержание общего калия (K), цинка (Zn) и железа (Fe) в побегах измеряли на атомно-абсорбционном спектрометре AA240FS (Varian Australia Pty Ltd., Австралия) после озоления 70%-ной азотной кислотой и рассчитывали на грамм сухого веса.
Статистический анализ проводили с использованием Excel 16.0 и Statistica 13.0. Значимость различий между вариантами оценивали с помощью апостериорного критерия Дункана (Duncan’s test) для множественного сравнения. На рисунках и в таблице представлены средние арифметические значения и их стандартные ошибки, разными латинскими (строчными и заглавными) буквами обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05.
3. Основные результаты и обсуждение
Всхожесть семян пшеницы при инокулировании штаммом CTF2 составляла 100%, штаммом CTF3 – 96%, тогда как в контроле – 94%. По длине сеянцев достоверных различий между вариантами не обнаружено. Заражение семян пшеницы ризобактериями увеличивало сырую биомассу побегов в среднем на 20%, а сухую – на 14% (рис. 1а, б). Аналогичная тенденция была отмечена и другими авторами , , при изучении влияния разных штаммов Zn-солюбилизирующих PGPR на рост пшеницы.
При инокуляции семян селективными штаммами содержание Хл a в листьях возрастало в среднем на 18%, а Хл b – на 22% (рис. 1в). Способность некоторых штаммов Zn-солюбилизирующих ризобактерий, принадлежащих роду Bacillus, повышать содержание зеленых пигментов у пшеницы была отмечена и другими авторами . Достоверных различий между изученными штаммами по влиянию на накопление Хл а и Хл b не выявлено. Однако на количество каротиноидов более значимый эффект оказывал штамм CTF3, увеличивая его на 24% по сравнению с контролем, в то время как штамм CTF2 – на 16% (рис. 1г). Известно, что хлорофиллы и каротиноиды являются активными иммуномодуляторами в организме человека . Кроме того, каротиноиды способствуют образованию витамина А и обладают ярко выраженными антиоксидантными свойствами , поэтому увеличение их количества в инокулированных сеянцах свидетельствует о биофортификационном потенциале изученных штаммов. К важным низкомолекулярным антиоксидантам относятся также фенольные соединения, включая флавоноиды , .
Рисунок 1 - Сырая биомасса (а), сухая биомасса (б) побега, содержание хлорофиллов (в) и каротиноидов (г) в листьях пшеницы
Примечание: Хл – хлорофилл; CTF2 – растения, инокулированные Pseudomonas sp.; CTF3 – растения, инокулированные Bacillus sp. Разными (строчными и заглавными) латинскими буквами обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05
Инокуляция семян CTF2 увеличивала содержание азота в побегах на 11% по сравнению с контролем, тогда как CTF3 не влиял на его накопление (табл. 1). Оба штамма способствовали повышению количества фосфора и калия в сеянцах (в среднем на 9%). Содержание Zn в побегах инокулированных растений тоже было выше, чем в контроле (в среднем на 14%). Однако наиболее значимый положительный эффект инокуляция оказывала на накопление железа, увеличивая его содержание в сеянцах по сравнению с контролем в среднем в 1,6 раза.
Рисунок 2 - Содержание растворимых фенолов и флавоноидов в листьях пшеницы
Примечание: CTF2 – растения, инокулированные Pseudomonas sp.; CTF3 – растения, инокулированные Bacillus sp. Разными (строчными и заглавными) латинскими буквами обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05
Таблица 1 - Общее содержание азота (N), фосфора (P), калия (K), цинка (Zn) и железа (Fe) в побегах пшеницы, выращенных из инокулированных семян
Вариант | N, мг/г | P, мг/г | К, мг/г | Zn, мкг/г | Fe, мкг/г |
Контроль | 27,4±0,5b | 7,6±0,1b | 20,3±0,3b | 23,2±0,2b | 88,4±1,1c |
Pseudomonas sp. СTF2 | 30,4±0,6a | 8,5±0,1ab | 22,4±0,6a | 25,2±0,4ab | 116,2±0,7b |
Bacillus sp. СTF3 | 27,5±0,5b | 8,3±0,2a | 21,6±0,4a | 27,9±0,3a | 157,3±8,7a |
Следовательно, оба штамма продемонстрировали способность обогащать сеянцы пшеницы не только биологически активными веществами, но и биофильными элементами.
4. Заключение
В результате проведения исследования выявлен положительный эффект инокуляции семян пшеницы Zn-солюбилизирующими PGPR (Pseudomonas sp. CTF2 и Bacillus sp. CTF3) на биомассу 18-дневных сеянцев, содержание фотосинтетических пигментов и растворимых фенолов, особенно флавоноидов. Более того, инокуляция способствовала накоплению в сеянцах биофильных элементов (N, P, K, Zn и Fe), что делает эти штаммы перспективными для биофортификации микрозелени.