INDUCTION OF SALT TOLERANCE AND GROWTH STIMULATION IN TRITICUM AESTIVUM L. BY HALOTOLERANT ENDOPHYTIC BACTERIA
INDUCTION OF SALT TOLERANCE AND GROWTH STIMULATION IN TRITICUM AESTIVUM L. BY HALOTOLERANT ENDOPHYTIC BACTERIA
Abstract
The results of a study aimed at assessing the effect of the halotolerant strain of endophytic bacteria PS-51, isolated from the root endosphere of Plantago salsa Pall., on the growth and tolerance of Triticum aestivum L. (spring soft wheat, "Iren 2" variety) to moderate sodium chloride salinity are presented. Wheat seeds were surface-sterilised and inoculated with a bacterial suspension (108 CFU/ml). Uninoculated plants were used as a control group. The plants were grown on a peat substrate with or without the addition of 75 mM NaCl for 56 days. Inoculation with strain PS-51 under salinity conditions increased shoot height (by 12% on average), the surface area and dry weight of the flag leaf of 56-day-old plants (by 12 and 17%, respectively), the content of chlorophylls and carotenoids (by an average of 15 and 12%, respectively), and the levels of proline and water-soluble sugars (by 19 and 16%, respectively). The PS-51 strain is therefore of interest as a potential basis for the development of effective bacterial drugs that enhance the resistance of and stimulate the growth of cultivated plants under conditions of NaCl salinity.
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.