ИНДУКЦИЯ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ И СТИМУЛЯЦИЯ РОСТА TRITICUM AESTIVUM L. ГАЛОТОЛЕРАНТНЫМИ ЭНДОФИТНЫМИ БАКТЕРИЯМИ
ИНДУКЦИЯ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ И СТИМУЛЯЦИЯ РОСТА TRITICUM AESTIVUM L. ГАЛОТОЛЕРАНТНЫМИ ЭНДОФИТНЫМИ БАКТЕРИЯМИ
Аннотация
Представлены результаты исследования, направленного на оценку влияния галотолерантного штамма эндофитных бактерий PS-51, изолированных из эндосферы корня Plantago salsa Pall., на рост и устойчивость растений Triticum aestivum L. (пшеницы мягкой яровой, сорта Ирень 2) к умеренному натрий-хлоридному засолению. Cемена пшеницы поверхностно стерилизовали и инокулировали суспензией бактерий (108 КОЕ/мл). В качестве контроля использовали неинокулированные растения. Растения выращивали на торфяном субстрате без/с добавлением 75 мМ NaCl в течение 56 дней. Инокуляция штаммом PS-51 в условиях засоления увеличивала высоту побега (в среднем на 12%), площадь поверхности и сухую массу флагового листа 56-дневных растений (на 12 и 17%, соответственно), содержание хлорофиллов и каротиноидов (в среднем на 15 и 12% соответственно), количество пролина и водорастворимых сахаров (на 19 и 16%, соответственно). Тем самым штамм PS-51 представляет интерес как потенциальная основа для создания эффективных бактериальных препаратов, повышающих устойчивость и стимулирующих рост культурных растений в условиях NaCl-засоления.
1. Введение
Пшеница мягкая (Triticum aestivum L.) является одной из важнейших продовольственных культур в мире, которая содержит относительно высокое содержание белка в зерне среди злаковых культур и обеспечивает значительную долю калорий в рационе человека . Занимая первое место в мире по площади культивирования , ее урожайность зависит от многих стрессовых факторов, в том числе засоления. Засоление почв, усиливающееся вследствие нарушения технологий ирригации, климатических изменений и антропогенной нагрузки , существенно ограничивает рост и развитие культурных растений, приводя к снижению урожайности и ухудшению пищевой ценности зерна .
Солевой стресс вызывает у растений комплекс физиолого-биохимических нарушений, включая осмотический стресс, ионный дисбаланс и накопление активных форм кислорода . Одним из наиболее чувствительных и информативных показателей воздействия стресса является рост растений, поскольку он интегрирует влияние неблагоприятных факторов на клеточное деление, растяжение и метаболическую активность. Показатели роста, такие как длина побегов и корней, биомасса и скорость развития, широко используются как маркеры стрессового состояния и напрямую связаны с конечной продуктивностью культуры , .
В последние годы всё большее внимание уделяется биологическим подходам к повышению устойчивости растений к абиотическим стрессам. Особый интерес представляют галотолерантные эндофитные бактерии, стимулирующих рост растений (от англ. «Plant Growth Promoting Entophytic Bacteria», PGPEB), которые способны колонизировать внутренние ткани растений без причинения вреда и оказывать положительное влияние на их развитие , . Эти микроорганизмы способствуют улучшению минерального питания, синтезируют фитогормоны, регулируют уровень стрессовых метаболитов и повышают антиоксидантную активность растений , .
В связи с этим использование галотолерантных эндофитных бактерий рассматривается как перспективная стратегия повышения солеустойчивости T. aestivum и стабилизации его роста в условиях засоления. Изучение их влияния на ростовые параметры пшеницы позволяет не только оценить степень стрессоустойчивости растений, но и выявить потенциальные механизмы повышения их продуктивности в неблагоприятных условиях среды.
Цель исследования — оценка эффективности использования солеустойчивого штамма эндофитных PGP бактерий PS-51 для улучшения роста и повышения устойчивости T. aestivum к умеренному хлоридному засолению корнеобитаемой среды.
2. Методы и принципы исследования
В работе исследовали солеустойчивый ИУК-продуцирующий штамм PGPEB PS-51, изолированный из эндосферы корня Plantago salsa Pall. Штамм, используемый для инокуляции семян, предварительно культивировали в жидкой среде Лурия-Бертани (LB), содержащей 5% NaCl, в течение 48 часов при 27 °C и постоянным перемешиванием при 160 об/мин. Бактериальные клетки отделяли от культуральной жидкости центрифугированием (5000 об/мин, 10 мин), трижды промывали стерильным физиологическим раствором и ресуспендировали в стерильном физиологическом растворе (0,9% NaCl). Концентрация клеточной суспензии составляла ~10⁸ КОЕ/мл.
Семена T. aestivum (пшеницы мягкой яровой, сорт Ирень 2), используемые для эксперимента, были предоставлены Уральским НИИСХ-филиалом ФГБНУ УрФАНИЦ УрОРАН (г. Екатеринбург). Семена поверхностно стерилизовали и инокулировали бактериальной суспензией в течение 1 часа. В качестве контроля служили неинокулированные семена (НС), замоченные на 1 час в стерильной дистиллированной воде. Солевой стресс создавали путем дополнительной предобработки не- и инокулированных семян стерильным раствором 75 мМ NaCl в течение 1 часа перед посадкой. Далее семена четырех вариантов обработки переносили в вегетационные сосуды объемом 0,5 л (по 5 семян/сосуд, 6 сосудов/вариант). В качестве субстрата использовали нейтрализованный торф (pH 7.0, содержание общего N, P, K — не менее 350 мг/л субстрата). Вегетационный опыт включал 4 варианта:
1 — контроль (НС);
2 — семена, инокулированные штаммом PGPEB (PS-51);
3 — НС с внесением раствора 75 мМ NaCl;
4 — PS-51 + 75 мМ NaCl.
Растения культивировали в течение 56 дней в контролируемых условиях при освещенности 180 ± 20 мкмоль/м2 с, фотопериоде — 16:8 часов (день:ночь) и температуре — 23 ± 2 °C. Полив растений проводили отстоянной водой по мере подсыхания субстрата. В конце эксперимента измеряли высоту побега, длину и ширину флагового листа, его сырую и сухую массу. Площадь листьев рассчитывали согласно Kumar et al. .
Содержание хлорофиллов а, b (Хл а, Хл b) и каротиноидов определяли спектрофотометрически (UV-1800, Shimadzu Corp., Япония) при 440, 649 и 665 нм после экстрагирования навески свежих листьев в 96% этиловый спирт . Количество пролина определяли спектрофотометрически нингидриновым методом , содержание растворимых сахаров спектрофотометрически — с антроновым реактивом .
Статистический анализ проводили с использованием Statistica 10, визуализировали в Excel 16.0. Значимость различий между вариантами оценивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа (one-way ANOVA) с последующим применением критерия Тьюки (Tukey’s HSD test). На рисунках представлены средние арифметические значения и их стандартные ошибки (n = 6), разными латинскими буквами обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05.
3. Основные результаты и обсуждение
Влияние солевого стресса на морфофизиологические показатели растений является одним из ключевых индикаторов их адаптационного потенциала, поскольку ростовые параметры напрямую отражают интегральный эффект неблагоприятных факторов среды на метаболические процессы , . Высота побегов пшеницы не изменялась в условиях засоления. Однако, инокуляция семян растений штаммом эндофитных бактерий PS-51 привела к увеличению высоты растений на 12% в сравнении с неинокулированными растениями при засолении (рис. 1а). Площадь и сырая масса флагового листа пшеницы существенно снижалась при засолении в сравнении с контролем (НС), на 12 и 17%, соответственно. В то же время у пшеницы, инокулированной PGPEB, эти негативные эффекты нивелировались: площадь и сырая масса листа были сопоставимы с неинокулированными растениями (рис. 1бв). Полученные данные свидетельствуют о том, что штамм PS-51 оказывал выраженное стимулирующее действие на ростовые процессы, вероятно, за счёт оптимизации водного статуса растений и поддержания активности клеточного деления и растяжения в стрессовых условиях. Сохранение параметров флагового листа имеет особое значение, поскольку он вносит основной вклад в формирование ассимилятов, определяющих продуктивность пшеницы .
Высота растений (а), площадь (б) и сырая масса (в) флагового листа пшеницы по завершению эксперимента
хл – хлорофилл; разными латинскими буквами обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05
Изменение количества фотосинтетических пигментов можно рассматривать как маркер окислительного стресса и показатель, который тесно связан с продукционным процессом у растений , . В условиях NaCl-засоления у неинокулированных растений содержание Хл a во флаговом листе снижалось на 5%, тогда как содержание Хл b не изменялось в сравнении с НС-контролем (рис. 2в).
Содержание пролина (а), водорастворимых сахаров (б), хлорофиллов (в) и каротиноидов (г) во флаговом листе пшеницы по завершению эксперимента
хл – хлорофилл; разными латинскими буквами (прописными и строчными) обозначены достоверные различия между вариантами при p < 0,05
Инокуляция штаммом PGPEB PS-51 оказывала выраженное ростстимулирующее действие на растения пшеницы, что проявилось в увеличении высоты побега, а также в улучшении морфометрических характеристик флагового листа. Наряду с этим отмечено усиление накопления низкомолекулярных осмопротекторов, включая пролин и водорастворимые сахара, что может свидетельствовать об активации адаптивных механизмов, направленных на поддержание клеточного гомеостаза в условиях NaCl-засоления.
4. Заключение
Проведённое исследование показало, что предпосевная инокуляция семян Triticum aestivum ростстимулирующими эндофитными бактериями (PGPEB штамм PS-51) способствует улучшению ряда ключевых морфофизиологических показателей растений в условиях умеренного NaCl-стресса. Установлено увеличение высоты побега, биомассы и площади флагового листа у 56-дневных растений, а также повышение содержания фотосинтетических пигментов и осмопротекторных соединений, таких как пролин и водорастворимые сахара. Совокупность полученных данных указывает на способность штамма PS-51 усиливать адаптивный потенциал растений при засолении, что позволяет рассматривать его как перспективный компонент биопрепаратов, предназначенных для повышения солеустойчивости пшеницы и других культур. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение молекулярно-генетических характеристик выделенного штамма.