EFFICIENCY OF ZINC-SOLUBILIZING GROWTH-PROMOTING RHIZOBACTERIA USING TO IMPROVE GROWTH AND BIOFORTIFICATION OF TRITICUM AESTIVUM SEEDLINGS
EFFICIENCY OF ZINC-SOLUBILIZING GROWTH-PROMOTING RHIZOBACTERIA USING TO IMPROVE GROWTH AND BIOFORTIFICATION OF TRITICUM AESTIVUM SEEDLINGS
Abstract
The article presents the results of the study aimed at assessing the effect of two selective strains of Zn-solubilizing growth-promoting rhizobacteria (Pseudomonas sp. CTF2 and Bacillus sp. CTF3) on the growth and biological value of wheat seedlings in pot-scale experiment. Wheat seeds were sterilized and inoculated with strains grown on Luria-Bertani medium (108 CFU/mL) for 2 h. Inoculation with rhizobacteria increased the aboveground biomass of 18-day-old seedlings (by 17% on average), the content of chlorophylls and carotenoids (by 20% on average), the amount of soluble phenols (by 18% on average) and biophilic elements (N, P, K, Zn, Fe). At the same time, the most significant effect of rhizobacteria was on the accumulation of flavonoids and iron, increasing their content by an average of 1,6 times. The results of the study allow us to recommend the use of the studied strains as effective bioinoculants for the biofortification of microgreens.
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.