XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Протекторное действие микроорганизмов на агрокультуры в условиях стресса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тегай К.Д. 1Буланина Д.А. 1

---

1Негосударственное учреждение "Школа "Престиж", 11 класс

Игнатова Л.В. 1

---

1КазНУ имени аль-Фараби

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Устойчивость к основным биотическим и абиотическим стрессам - одно из основных требований, которые предъявляются к современным сортам сельскохозяйственных культур и технологиям их выращивания. Для многих сельскохозяйственных культур проблема комплексной длительной устойчивости к стрессовым факторам абиотической природы до сих пор остается нерешенной, поэтому для получения удовлетворительной урожайности приходится использовать химические средства защиты растений. Все это побуждает, опираясь на приоритеты адаптивно-ландшафтного земледелия, вести поиск максимально экологизированных методов и средств, снижающих потери и стабилизирующих продуктивность растений. К таким методам относят как прямое воздействие биопрепаратов, состоящих из микроорганизмов и их метаболитов, так и повышение общей неспецифической устойчивости растений (иммунного статуса) к неблагоприятным факторам биотической и абиотической природы путем индукции природных защитных механизмов.

Практическая значимость. В результате стрессовых воздействий, вызванных резкими колебаниями погодных условий, глобального потепления климата и действия комплекса антропогенных факторов происходит снижение урожайности и пищевой ценности растительной продукции. В связи с этим особую значимость приобретают научные исследования, направленные на изыскание методов, разработку путей, ведущих к получению и сохранению качественной экологически безопасной продукции растениеводства, эффективной защите её от стрессов, максимального использования её биологического потенциала, снижению загрязнения окружающей среды, связанной с широким использованием пестицидов и минеральных удобрений.

Гипотеза. Возможность повышения адаптационного потенциала растений, обработанных эндофитными микроорганизмами, в условиях абиотических стрессов.

Цель исследований – оценка влияния эндофитных бактерий на растения в условиях абиотического стресса.

Задачи:

1. Провести скрининг эндофитных бактерий, устойчивых к абиотическим стрессовым факторам (солевой стресс; условия засухи; действие тяжёлых металлов).

2. Определить влияние предпосевной обработки семян эндофитами на морфометрические и физиологические показатели растений в условиях абиотического стресса.

Объект исследования. 53 штаммаэндофитных бактерий, выделенных из лекарственных растений. Растения были собраны в Алматинской области (календула Calendula arvensis, клевер Trifolium pratense, душица Origanum vulgare, солодка Glycyrrhiza glabra, одуванчик Taraxacum officinale).

Теоретическая и методологическая основа. Отобраны эффективные штаммы эндофитных бактерий и дана оценка их действия при применении для обработки растений в стрессовых условиях. Доказано, что обработка семян исследуемыми штаммами способствует повышению устойчивости растений к неблагоприятным внешним факторам, ограничивая тем самым глубокие физиолого-биохимические перестройки в растительных тканях.

1 Обзор литературы

Эндофиты лекарственных растений – продуценты БАВ

Эндофитные микробы (бактерии и грибы) живут в тканях растений, не вызывая никаких симптомов заболевания у хозяина. Инициация грибных эндофитных ассоциаций внутри корней может изменить состав минерального питания, фитогормональный баланс и химический состав корневых выделений, а также защитить растение от абиотических и биотических стрессов [1]. Эндофитные грибы обеспечивают хозяина арсеналом метаболитов, которые улучшают защиту растений от раздражителей окружающей среды [2; 3]. Было показано, что ряд важных эндофитов (например, Piriformospora indica, Sebacina vermifera и виды Penicillium и Colletotrichum) улучшают рост растений в стрессовых условиях [1; 4].

Эндофитные грибы продуцируют биоактивные вторичные метаболиты, в том числе фитогормоны. Это потенциально может привести к улучшению роста хозяев, а разнообразные экологические ниши этих организмов могут быть полезны в сельском хозяйстве. Содействие росту сельскохозяйственных культур и снижение клеточного окислительного стресса являются важными проблемами, над которыми необходимо работать. Эндофиты играют решающую роль в обоих этих процессах, как недавно сообщили [5]. Эндофитные грибы могут продуцировать фитогормоны, особенно гиббереллины (ГА), для улучшения роста сельскохозяйственных культур и смягчения негативных последствий абиотических стрессов [6]. Сообщалось также, что эндофиты некоторых грибов продуцируют различные классы ауксинов, такие как индолуксусная кислота (ИУК). Мартинез-Ариас и Собрино-Плата [7] продемонстрировали, что некоторые виды эндофитных грибов могут продуцировать ИУК. Как и ГК, ИУК необходима для роста и развития сельскохозяйственных культур, поскольку она способствует развитию корней, пазушных почек и цветков, а также влияет на другие процессы [8].

Флора Казахстана насчитывает приблизительно 6500 видов высших сосудистых растений [9], около 5100 грибов, 490 лишайников, более 2050 водорослей и около 400 мохообразных. Изобилие растительной биоты нашей страны оценивается в 15000-16000 таксонов. Из 6400 видов примерно 730– эндемики [9, 10], это составляет 12-13% от всего числа. Лечебные свойства имеют свыше 900 видов. Кроме того, насчитывается более 500 видов интродуцированных, культивируемых и завозных растений [11].

Большее число лекарственных растений составляет: сложноцветных (195 видов), розоцветных (88), губоцветных (77), бобовых (77), лютиковых (76), зонтичных (69) и крестоцветных (64). В состав остальных семейств входят виды (Polygonaceae (43), Caryophyllaceae (42), Poaceae (34), Boraginaceae (31); 15 семейств содержат около 10–21 вида; 47 семейств содержат от 9 до 3 видов (Berberidaceae, Iridaceae, Papaveraceae, Solanaceae и так далее.); 22 семейства представлены 2 видами (Equisetaceae, Linaceae, Nitrariaceae, Verbenaceae и др.); на один вид приходилось 35 или 26 % (Aсеrасеае, Capparaceae, Datiscaceae, Juglandaceae, Polypodiaceae и др.). Среднее количество видов в семье 10,6. Наиболее крупные роды: Artemisia L. (40 видов), Potentilla L. (24), Euphorbia L. (18). Роды Ferula L., Polygonum L., Rumex L. составляют равное количество видов (по 15). Astragalus L. (14) и Ranunculus L. (13) очень важны [12; 13].

1.2 Негативные внешние факторы почвы и их влияние на растения

Антропогенное вмешательство и чрезмерное применение агрохимикатов оказывают негативное воздействие на микробные сообщества почвы и функциональное разнообразие, что приводит к ухудшению состояния почвы. Металлы в основном выделяются в окружающую среду в результате естественного выветривания из богатых металлами пород. Помимо этого, добыча полезных ископаемых, производство удобрений и переработка сточных вод способствуют увеличению содержания металлов в почве. В то время как организмы нуждаются в таких металлах, как цинк (Zn), железо (Fe) и марганец (Mn) в небольших количествах для усиления роста, развития и метаболизма, некоторые тяжелые металлы, такие как кадмий (Cd), свинец (Pb), хром (Cr) и ртуть (Hg), обнаруженные в окружающей среде, могут нарушать жизненный цикл живых организмов, вызывая повреждение клеточных мембран, нарушая ферментативные и клеточные процессы и приводя к структурному повреждению ДНК [14].

Кадмий, распространенный металл, содержащийся в почве, нарушает ферментативную активность почвенных микроорганизмов, таких как денатурирующие ферменты, ухудшает структуру мембран, затем следует нарушение функции и вмешательство в синтез ферментов в клетках [15;16; 17]. Кроме того, тяжелые металлы могут нарушать процессы роста и размножения микроорганизмов, вызывать морфологические и физиологические нарушения.

Загрязнение почв тяжелыми металлами, особенно в окрестностях крупных городов и промышленных центров, стало одной из актуальных экологических проблем Казахстана. В промышленных регионах республики распространены значительные очаги антропогенных нарушений и загрязнений почвенного покрова. Значительная роль в загрязнении земель городов принадлежит автотранспорту, количество которого в последние годы значительно увеличилось. Очаги загрязнения почв от промышленных предприятий сформировались в окрестностях городов Усть-Каменогорска, Риддера, Жезказгана, Шымкента, Караганды. Здесь содержание в почве свинца, меди, цинка, кадмия значительно превышает предельно-допустимые концентрации (ПДК) [17]. Только в результате деятельности предприятий цветной металлургии отходов накоплено свыше 22 млрд т, в том числе около 4 млрд т отходов горного производства, из токсичных - свыше 1,1 млрд т отходов обогащения и 105 млн т отходов металлургического передела. Площади, занимаемые накопителями отходов цветной металлургии, составляют около 15 тыс. га, из них отвалы горных пород занимают 8 тыс. га, хвосты обогатительных фабрик – около 6 тыс. га и отвалы металлургических заводов - более 500 га. Такого же порядка объемы отходов в черной металлургии и химической промышленности. В ВосточноКазахстанской области земли загрязняются соединениями меди, цинка, кадмия, свинца, мышьяка. Токсичные отходы размещены на полигонах, не отвечающих санитарно - экологическим требованиям. Аномалии свинца охватывают территорию Шемонаихинского, Глубоковского и Зыряновского районов. Наиболее неблагополучным является район в треугольнике между городами Усть-Каменогорск, Риддер, Зыряновск [18].

Одной из наиболее серьезных проблем деградации почв, с которыми сталкивается сегодня мир, является засоление. Засоление может быть вызвано использованием сточных вод и навоза, а также бытовых садовых отходов, что приводит к накоплению соли в почве при частом их применении [140]. Из-за высокого осмотического давления, а также вредных ионов и дисбаланса в питании [19] засоление вызывает неоптимальное развитие растений и снижает активность почвенных микробов. Содержание соли в почве (соленость) может влиять на почвенные процессы и определяет осмотическое давление, а также содержание натрия в обменном комплексе почвы (содность), что дополнительно регулирует системную стабильность почвы [20].

Засоленные почвы широко распространены в южных и центральных районах Казахстана. В этих засушливых районах, годовое количество осадков составляет 100-150 мм, а испарение превышает количество осадков. Засоленные почвы обязательный компонент степи и пустынных ландшафтов, они широко распространены в аридных и полуаридных регионах мира. Казахстан относится к засушливым регионам [20]. Географические зоны Казахстана характеризуются существенным избытком испарения по отношению к осадкам. На обширной территории Казахстана (кроме некоторых горных областей) испарение намного превышает (на севере - в 2-3 раза, на юге - в 10-20 раз) выпадение осадков, что вызывает длинное, жаркое и сухое лето. Засушливость климата высока и, соответственно, испарение грунтовых вод выше, поэтому вероятность засоления почв также высока [21].

В Казахстане атмосферных осадков выпадает недостаточно. Особенно их мало на южных равнинах. Несущие влагу западные и северо-западные воздушные массы, проносясь над огромными пространствами республики, приходят на юг иссушенными. В то время как на севере Казахстана в среднем выпадает осадков до 300 мм и более, в некоторых пустынных районах юга их среднегодовое количество едва достигает 100 мм. В горных массивах среднегодовая сумма осадков с 400 мм в предгорьях увеличивается в среднегорье в 1,5–2 раза, а в высокогорье еще больше. Вблизи вечных снегов она превышает 1000 мм, а в иные годы и 1500 мм. В замкнутых межгорных впадинах количество осадков уменьшается, так как влажные воздушные массы теряют свою влагу на наветренных склонах окраинных хребтов.

Вообще север и юг Казахстана в климатическом отношении весьма отличаются. Различия касаются всех времен года, причем у одних сезонов они меньше, у других больше. Значительнее всего они проявляются зимой.

1.3 Взаимоотношения между растениями и эндофитными микроорганизмами.

Эндофитные микроорганизмы снабжают растение спектром метаболитов, которые стимулируют защиту растений от отрицательных факторов внешней среды [19]. Так же они продуцируют биоактивные вторичные метаболиты, к примеру, фитогормоны. Данное свойство имеет потенциал улучшения роста растений-хозяев, в то время как всяческие экологические ниши этих организмов могут быть приспособлены к агарному хозяйству. Стимуляция роста сельскохозяйственных культур и уменьшение окислительного стресса – важная проблема, над которой необходима работа. Эндофиты играют важную роль в обоих этих процессах. Недавние работы показали, что грибы-эндофиты способны синтезировать фитогормоны, в частности гиббереллины, для стимуляции роста аграрных культур и смягчения негативных эффектов абиотических стрессов [22].

Грибы и бактерии эндофитной природы, имеют способность проникать и выживать в тканях своего хозяина, не причиняя вреда последнему. К типичным представителям бактерий являются: Pseudomonas, Bacillus, Burkholderia, Stenotrophomonas, Micrococcus, Pantoea и Microbacterium. Способность стимулировать рост растений – ещё одна из интересных способностей растительных эндофитов. В основе способности лежат различные механизмы: прямые и косвенные (рисунок 1). К прямым механизмам относят: стимуляцию роста растений за счёт синтеза ауксинов, цитокининов и гиббереллинов; биологическую фиксацию азота; солюбилизацию и поглощение питательных веществ; выработка ферментов (1-аминоциклопропан-1-карбоксилатдезаминаза (ACCD)), снижающих уровень этиленового гормона в таких стрессовых условиях, как засуха и засоление почвы [22].

Рисунок 1. Схема протекторного влияния эндофитов при воздействии на растения стрессовых факторов

Эндофитные бактерии способны также косвенно благоприятствовать росту растений, защищая от фитопатогенов или стимулируя растения на защитные реакции. В последнем случае, индуцированный системный ответ (ISR) влияет на уникальные пути ответа растений, наиболее изученный из которых – путь жасмоновой кислоты (JA) [23].

2 Материалы и методы исследования

2.1. Материалы исследования

Объектом исследования служили 53 штаммаэндофитных бактерий лекарственных растений. Растения были собраны в предгорных и горных районах Заилийского Алатау Алматинской области: календула Calendula arvensis, клевер Trifolium pratense, душица Origanum vulgare, солодка Glycyrrhiza glabra, одуванчик Taraxacum officinale.

2.2. Методы исследования

Скрининг микроорганизмов, устойчивых к засухе и засолению

В лабораторных условиях стресс засухи и засоления был создан посредством добавления к фоновой среде МПА растворов сахарозы (5,0%; 8,0%; 15,0%; 20%) и NaCl (0,98%; 1,40%; 2,70%).

Скрининг микроорганизмов, устойчивых к действию тяжелых металлов

Для обнаружения устойчивых к металлам микроорганизмов осуществлялся посев почвенных микроорганизмов методом агаровых блоков на среду Сабуро с разной концентрацией металлов. Для этой цели в твердую среду Сабуро прибавляли с учетом опытного варианта свинец и кадмий в концентрации металла 1 мМ. Два варианта концентрации Ме 1 мМ и 0.1 мМ применялись для Cd. Культивирование проводили в ходе 7 суток при температуре 25^◦С.

Данные учитывали в соответствии ИТ, показателю устойчивости почвенных микроорганизмов к конкретной концентрации металла.

Индекс толерантности высчитывается по формуле (1):

(1)

ИТ=

Прайминг семян

Перед проращиванием семена стерилизовались в 5%-ном растворе хлоргексидина, а затем промывались в стерильной дистиллированной воде три раза. В опыте использовалась культура бактерий, культивированная в течение двух суток в МПБ среде. Для этого использовались коблы объёмом 250 мл, условия культивирования следующие: температура – 37°С, 5 суток на шейкере МБК-49 (150 об/мин).

Влияние прайминга растений на их морфометрические и физиологические показатели

Загрязнение почвы тяжелыми металлами имитировали, поливая её растворами Cd(NO3)2×4H2O, Pb(CH₃COO)₂ в следующих концентрациях: Cd²⁺ –0,50, 1,5, 3 мг/кг почвы, Pb²⁺ – 30, 90, 180 мг/кг почвы. Загрязнение почвы солями имитировали, поливая её растворами хлорида натрия: 3г, 4г, 5г, и 6г NaCl на 1 кг почвы. В контроле почву в сосудах поливали дистиллированной водой.

Растения выращивали в течение 21 суток при температуре 17÷21°С при освещении 13 кЛк и 16-часовом фотопериоде.

Определение количества хлорофилла в растениях

Наличие пигментов фотосинтеза рассчитывали, согласуясь с методикой Шлыка с соавторами. Навеску органов растения массой 300 г растирали в 20 мл 90%-ного этилового спирта, добавляя немного песка. Изготовленный гомогенат центрифугировали 25 минут при 7000 об./мин. Надосадок переливали в стерильные пробирки. Далее, определяли оптическую плотность образцов, используя длину волны 650 и 667 нм (Genesys 10S UV-Vis «Thermo Electron», Германия).

Определение количества свободного пролина

Концентрацию свободного пролина лпределяли с использованием нингидринового реактива: 1,30 г нингидрина + 35 мл ледяной уксусной кислоты + 25 мл 7М раствора H3PO4.

Проводили гомогенизацию 0,3 г свежего материала в 15 мл 3% водного раствора сульфосалициловой кислоты. Центрифугирование гомогената проводили 40 минут при 6500 g. После, добавляли 2 мл CH₃COOH, 2 мл нинг. реактива и вливали 2 мл изготовленного экстракта. Образцы инкубировали 1,5 часа при температуре 100°С, затем охлаждали до комнатной температуры.

Оптическую плотность измеряли при 520 нм. В качестве контроля использовали смесь этих же реактивов без добавления экстракта. Содержание пролина рассчитывали с помощью калибровочной кривой, используя в качестве стандарта пролин компании «Sigma» (США).

3 Результаты исследования и их обсуждение

3.1 Первичный скрининг почвенных микроорганизмов устойчивых к тяжёлым металлам, засолению и засухе

При выявлении культур, устойчивых к ТМ, были определены значения индекса толерантности к солям кадмия и свинца. Из 53 изученных культур толерантностью к исследуемым ТМ обладал 21 изолят. По результатам анализа были отмечены 4 штамма, проявляющих наибольшую устойчивость к исследуемым ТМ: 2а (рисунок 2), 3а, 6а и 8б.Индекс толерантности этих штаммов для свинца составил от 0,65±0,05 до 0,88±0,04, для кадмия от 0,89±0,03 до 1,12±0,02.

Рисунок 2. Толерантность штамма 2а к воздействию солей кадмия

Для выявления галотолерантных бактерий изоляты тестировали на способность к росту в условиях различных концентраций NaCl (0; 5; 10; 15; 25%). Отбор штаммов проводили на основе визуальной оценки интенсивности роста культур.

24 культуры показывали высокие уровни роста на средах с 5% и 10% концентрациями NaCl. При концентрации 10% и 15% хорошие показатели были лишь у 3 культур: 1а, 1б и 4а. Тем временем у других культур наблюдалось либо полное отсутствие роста, либо низкие показатели при 15% соли. При концентрации NaCl в 25% рост наблюдался лишь у одного изолята 1б (рис. 3).

Рис. 3. Бактериальные культуры, выращенные при концентрации NaCl 25%

В лабораторных условиях имитацию засухи создавали посредством внесения в состав питательной среды растворов сахарозы (5,0%; 8,0%; 15,0%; 20%). Как и в предыдущем эксперименте, отбор штаммов проводили на основе визуальной оценки интенсивности роста культур.

5 культур показывали высокие уровни роста на средах с 5% и 8% концентрациями сахарозы. При концентрации 15% хорошие показатели были лишь у 3 культур: 1а, 1б и 4а.

Из 53 культур, которые были использованы в опыте, для дальнейших исследований отобраны 3 культуры: 1а, 1б, 4а – показавшие устойчивость к повышенным концентрациям соли.

3.2 Оценка влияния отобранных штаммов на рост растений

Для оценки влияния отобранных штаммов на рост растений был проведен эксперимент по определению энергии прорастания и всхожести семян ячменя, обработанных их культуральной жидкостью (таблица 1).

Таблица 1. Влияние различных штаммов на энергию прорастания и всхожесть семян.

В результате были отобраны штаммы 1б и 3а, обладающие ростстимулирующей активностью в отношений растений ячменя.

3.3 Устойчивость растений обработанных микроорганизмами к воздействию тяжелых металлов

Обработанные бактериями растения ячменя росли в загрязненной кадмием почве лучше, чем необработанные. Как видно из результатов, представленных в таблице 2, при обработке семян культуральной жидкостью штамма Pseudomonas fulva3а морфометрические показатели проростков, растущих в загрязненной кадмием почве (5,0 мг/кг), были схожи с показателями растений, растущими в чистой почве без обработки бактериями. Обработка семян клетками штамма Pseudomonas fulva3а способствовала стимуляции роста побега и корня на 10% (рисунок 4).

Таблица 2. Показатели длины корней и побегов исследуемых растений, обработанных эндофитными микроорганизмами

Показатели массы корней и побегов у обработанных бактериями семян также отличались от контрольных (таблица 3).

Таблица 3. Показатели массы корней и побегов исследуемых растений, обработанных эндофитом

При обработке семян растений штаммом эндофитных микроорганизмов повышается устойчивость растений к воздействию тяжелых металлов. Вероятно это связано с тем, что микроорганизмы синтезируют фитогормоны, со способностью синтезировать фермент деаминазы 1-аминоциклопропанкарбоновой кислоты, также с улучшением минерального питания растений.

Контроль Обработка

Рисунок 4. Растения, обработанные микрорганизмом, в загрязненной кадмием почве

В наших экспериментах обнаружено уменьшение содержания пигментов (общего хлорофилла) под действием кадмия, как у необработанных, так и обработанных бактериями растений (табл. 4). Так, при концентрации кадмия 2,5 мг/кг содержание хлорофилла у необработанных бактериями растений уменьшалось на 30.2%.

Таблица 4 – Концентрация хлорофилла (а, б) и пролина в опытах с кадмием

В проведенных экспериментах при наличии кадмия в почве происходило увеличение содержания уровня пролина в побегах растений как обработанных, так и необработанных бактериями (табл. 4).

Влияние прайминга семян на устойчивость растений к засолению

Известно, что в условиях избыточного засоления почвы часто снижается всхожесть семян и интенсивность роста растений. Нами определялась солеустойчивость растений путем проращивания семян в растворах соли различной концентрации.

Отрицательное действие солей на растения имеет комплексный характер и включает в себя две составляющие: осмотическую и токсическую [22, 23]. Осмотическое действие проявляется в пониженном поглощении воды и неблагоприятном изменении водно-солевого обмена в клетках и тканях. Засоление приводит к созданию в почве низкого (резко отрицательного) водного потенциала, поэтому поступление воды в растение сильно затруднено.

При солевом стрессе семена ячменя, подвергнутые обработке, демонстрировали гораздо большую всхожесть, а также лучший рост и развитие чем контроль. Таким образом, всхожесть семян ячменя, подвергнутых обработке, превышает всхожесть контроля на 32% (таблица 5).

Таблица 5 - Влияние предпосевной обработки на всхожесть семян, рост и развитие ячменя

Также, длинна корня, длинна стебля, количество листьев и количество корней обработанных растений, превышают те же показатели у контроля, на 28%, 32%, 40%, 45% соответственно и показатель сухой биомассы выше в 1,5 раз, чем у контроля (таблица 6).

Таблица 6. Показатели массы корней и побегов исследуемых растений, обработанных эндофитами

При солевом стрессе наблюдалось уменьшение массы надземной части растений, как необработанных, так и обработанных бактериями. С увеличением концентрации соли токсический эффект усиливался (рисунок 5). Так, у неинокулированных растений при концентрации NaCl 3, 4, 5, 6 г/кг почвы наблюдалось уменьшение биомассы, соответственно, на 13%, 32%, 35% и 45%, по сравнению с растениями, которые выросли в почве без NaCl.

Обработка Контроль

Рисунок 5. Растения, обработанные микрорганизмом, в условиях засоления

Растения, обработанные бактериальной суспензией Pseudomonas putida 1б, имели почти в 1,16 раза большую длину корня, в 1,04 – стебля и биомассу по сравнению с контрольными растениями.

Изменение концентрации в почве отдельных ионов способствует их поступлению по стволам деревьев и накоплению в листьях. Под влиянием натриевых солей происходит нарушение ультраструктуры клеток, в частности изменяется структура хлоропластов. Нарушение работы ассимиляционного аппарата ведет к понижению интенсивности фотосинтеза, гибели побегов и задержке роста растений, что в конечном итоге выражается в угнетении общего состояния и ослаблении устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Прайминг семян бактериями Pseudomonas putidaобусловил увеличение биомассы растений, концентрации хорофилла и снижение содержания пролина при солевом стрессе, вызванным высокими концентрациями NaCl. Значительные показатели солеустойчивости отобранных штаммов, позволяют сделать выводы об упрощении процесса приспособления растений к стрессу вместе с различными бактериальными популяциями.

У обработанных клетками бактерий растений уровень пролина, также как и у неинокулированных, повышался, однако достоверные отличия (с контрольными растениями, выросшими в почве без содержания соли) были обнаружены при концентрации соли 4 г/кг и 5 г/кг, показатели были больше в среднем в 1,2 раза (рис. 6).

Рисунок 6. Содержание хлорофилла и пролина

У растений, инокулированных бактерими B. subtilis 11ВМ, уровень пролина в побегах при концентрации NaCl в почве 4, 5, 6, 7 г/кг был выше на 18,5%, 32,4%, в 1,3 и 1,4 раза, соответственно, чем у неинокулированных.

3.5 Морфометрические показатели растений после обработки в условиях засухи

Дефицит воды – наиболее распространенный стрессовый фактор для растений не только для засушливых и полузасушливых территорий, но и для стран с умеренным климатом (Marulanda et al., 2009;). Недостаток воды влияет на биохимические и физиологические процессы, угнетает рост и снижает урожайность сельскохозяйственных культур (Vurukonda et al., 2016). Согласно ряду исследований (Coleman-Derr, Tringe, 2014; Vurukonda et al., 2016), предобработка растений некоторыми видами микроорганизмов может повысить их засухоустойчивость.

С целью проверки предположения, что обработка растений почвенными бактериями Ps. putida1б может повысить толерантность агрокультур к почвенной засухе, была проведена оценка ростовых показателей у растений сои сорта «Виктория», инокулированных и неинокулированных бактериями в условиях имитации засухи. Стресс имитировали снижением влажности почвы, при котором начинали визуально проявляться симптомы увядания листьев (30% от ППВ). Растения выращивали в течение 30 дней, затем определяли морфометрические и биохимические показатели.

Стресс от засухи значительно уменьшил длину корня, длину стебля, площадь листьев и уменьшил сухую массу корня, стебля и листьев по сравнению с контролем (таблица 7 и Рисунок 7). Инокуляция почвенными бактериями заметно изменила рост и биомассу растений ячменя по сравнению с неинокулированными растениями. Длина корня, длина стебля, количество листьев и вес сухой биомассы были значительно увеличены на 20,3%, 20,9%, 33,3%, 60% по сравнению с обработкой (Таблица 7 и рисунок 7).

Таблица 7. Влияние предпосевной обработки на всхожесть семян, рост и развитие ячменя

Из данных, приведенных в таблице, следует, что штаммы почвенных бактерий значительно повышают всхожесть семян ячменя. Так, всхожесть обработанных семян возросла до 20,5%. Установлено, что обработка семян бактериями активно стимулировала развитие растений ячменя. При этом, длина стебля ячменя увеличилась в 1,2 раза, длина корня - в 1,28 раза по сравнению с контролем.

Контроль (без обработки) Обработка микроорганизмом

Рисунок 7. Растения, обработанные микрорганизмом, в условиях имитации почвенной засухи

На следующем этапе было показано, что при обработке семян сои бактериями Ps.putida1б стресс, вызванный почвенной засухой значительно снизил содержание Chl a, Chl b и содержание Chl a+b (рисунок 8).

Рисунок 8. Концентрация хлорофилла и пролина в условиях засухи

В то время, как образцы, инокулированные бактериями, показали повышенное содержание Chl b и Chl a+b по сравнению с контролем (рис. 8).

Фотосинтез является важным физико-химическим процессом, который происходит в высших растениях и напрямую связан с производством растительной биомассы; он очень чувствителен к стрессу от засухи (Yang et al. 2014).

Из полученных данных следует, что при применении предпосевной обработки семян сои наблюдался положительный эффект от действия бактерий и их метаболитов не только на соотношение хлорофилла а к хлорофиллу б, но и на их накопление в листьях растений. Так сумма хлорофиллов а и б в условиях имитации засухи у обработанных растений была выше, чем у необработанных. А содержание хлорофиллов а и б у обработанных растений, при тех же условиях, было больше на 13,6% и 25% соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, исследования по проведению скрининга микроорганизмов, устойчивых к абиотическим стрессовым факторам окружающей среды и их протекторного влияния на растения позволили установить следующие выводы:

1. В результате первичного скрининга 53 почвенных бактерий были отобраны 2 штамма: Pseudomonas putida 1б для защиты растений в условиях имитации засухи и засоления и Pseudomonas fulva 3адля защиты в условиях действия тяжелых металлов.

2. Показано, что предпосевная обработка семян эндофитами способствовала увеличению морфометрических и физиологических показателей растений в условиях абиотического стресса на 10 - 24% в зависимости от варианта опыта.

Прайминг семян бактериями Pseudomonas putida1б иPseudomonas fulva 3а обусловил увеличение биомассы растений при различных абиотических стрессах. Значительные показатели адаптационного потенциала отобранных штаммов позволяют сделать выводы об улучшении процесса приспособления растений к стрессу вместе с бактериями и их метаболитами.

Стрессы значительно уменьшают длину корня, длину стебля, площадь листьев и уменьшают массу корня, стебля и листьев по сравнению с контролем. Инокуляция почвенными бактериями заметно изменила рост и биомассу растений ячменя по сравнению с неинокулированными растениями. Длина корня, длина стебля, количество листьев и вес сухой биомассы были значительно увеличены на 20,3%, 20,9%, 33,3%, 60% по сравнению с обработкой.

Кроме того, на уровне растения влияние абиотических стрессов воспринимается как снижение фотосинтеза и непосредственно влияет на фотосинтетические характеристики растений, что, в свою очередь, влияет на физиологические и биохимические процессы. Реакция растения на стресс заключается в изменении содержания фотосинтетического пигмента. Снижение содержания хлорофилла а и б в стрессовых условиях является основной причиной инактивации фотосинтеза. Прайминг семян ячменя давал положительный эффект от действия бактерий и их метаболитов на количество и соотношение хлорофилла а к хлорофиллу б в листьях растений. Так сумма хлорофиллов а и б в условиях стрессов у обработанных растений была выше, чем у необработанных. А содержание хлорофиллов а и б у обработанных растений, при тех же условиях, было больше на 13,6% и 25% соответственно.

Список использованной литературы

1. Redman RS, Kim YO, Woodward CJDA, Greer C, Espino L, Doty SL, et al. Increased Fitness of Rice Plants to Abiotic Stress Via Habitat Adapted Symbiosis: A Strategy for Mitigating Impacts of Climate Change. PLoS ONE 6(7), 2011, 1–10.

2. Brundrett MC, et al. Understanding the Roles of Multifunctional Mycorrhizal and Endophytic Fungi. Berlin: Springer-Verlag, 2006, 281-293.

3. C. Mandyam, BS; Elsayed Z. Soliman, MD; Susan R. Heckbert Long-term Outcomes of Left Anterior Fascicular Block in the Absence of Overt Cardiovascular Disease Mala; et al JAMA; 309, 2013, 1587-1588.

4. Frank Waller, Beate Achatz, Helmut Baltruschat The endophytic fungus Piriformospora indica reprograms barley to salt-stress tolerance, disease resistance, and higher yield, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2005, 12-24.

5. Gustavo Santoyo, Gabriel Moreno-Hagelsieb, Ma del Carmen Orozco-Mosqueda, Bernard R Glick Plant growth-promoting bacterial endophytes, Microbiological Research Vol. 183, 2016, 92-99.

6. Lu Yan, Jing Zhu, Xixi Zhao, Junling Shi, Chunmei Jiang, Dongyan Shao Beneficial effects of endophytic fungi colonization on plants, Appl Microbiol Biotechnol. 103(8), 2019, 3327-3340.

7. Clara Martínez-Arias, Juan Sobrino-Plata, David Medel, Luis Gil, Juan Antonio Martín, Jesús Rodríguez-Calcerrada Stem endophytes increase root development, photosynthesis, and survival of elm plantlets, Journal of Plant Physiology Vol. 261, 2021, 153420.

8. D Reinhardt, T Mandel, C Kuhlemeier Auxin regulates the initiation and radial position of plant lateral organs, Plant Cell; 12(4), 2000, 507-518.

9. Аралбай Н.К., Кудабаева Г.М., Иманбаева А.А. и др. Каталог редких и исчезающих видов растений Мангистауской области (Красная Книга). – Актау, 2006. – 32 с.

10. Байтенов М. С. Флора Казахстана в 2-х т. – Т. 2. Родовой комплекс флоры. Алматы: Ғылым, 2001, 52.

11. Kanat Sarsenbayev, SarsenbaevMedicinally Important Plants of Kazakhstan, Vegetation of Central Asia and Environs, 2018, 263-289.

12. Adekenov, S.M. et al. The Kazakhstan medicinal flora survey in leading families, Bulletin of the Karaganda University, Biology, 2020, 39-51.

13. Абдулина С.А. Список сосудистых растений Казахстана Под редакцией Р.В. Камелина. Алматы, 1998, 187.

14. Abhimanyu Jogawat, Bindu Yadav, Chhaya, Om Prakash Narayan Metal transporters in organelles and their roles in heavy metal transportation and sequestration mechanisms in plants, Physiologia Plantrum, 2021, 259-275.

15. Giuseppe Genchi, Maria Stefania Sinicropi, Graziantonio Lauria, Alessia Carocci, Alessia Catalano The Effects of Cadmium Toxicity, Int J Environ Res Public Health, 17(11), 2020, 37-82.

16. Muhammad Shahid, Camille Dumat, Sana Khalid, Nabeel Khan Niazi, Paula M C Antunes Cadmium Bioavailability, Uptake, Toxicity and Detoxification in Soil-Plant System, Rev Environ Contam Toxicol, 241, 2017, 73-137.

17. Heavy metal deposition through precipitation in Kazakhstan

18. V S Cherednichenko, A V Cherednichenko, Al V Cherednichenko, A K Zheksenbaeva, A. S. Madibekov Air Pollution in Kazakhstan and Its Health Risk Assessment, Ann Glob Health, 8;85(1), 2019, 133.

19. Annett Mikolasch, Madliene Donath, Anne Reinhard, Christiane Herzer, Bolatkhan Zayadan, Tim Urich, Frieder Schauer Diversity and degradative capabilities of bacteria and fungi isolated from oil-contaminated and hydrocarbon-polluted soils in Kazakhstan, Appl Microbiol Biotechnol, 103(17), 2019, 7261-7274.

20. Исанова Г.Т. Абудувайли Ц. Мамутов Ж.У. Калдыбаев А.А. Сапаров Г.А. Базарбаева Т.А. Засоленные почвы и определение провинции соленакопления на территории Казахстана, Аридные экосистемы, т.23, 2017, 38-50.

21. Боровский В.М. 1978. Геохимия засоленных почв Казахстана. М.: Наука. 191.

22. Abdul Latif Khan, Javid Hussain, Ahmed Al-Harrasi, Ahmed Al-Rawahi, In-Jung Lee Endophytic fungi: resource for gibberellins and crop abiotic stress resistance, Crit Rev Biotechnol, 35(1), 2015, 62-74.

23. V. Montejano-Ramírez, E. García-Pineda, E. Valencia-Canterо Bacterial compound N, N-dimethylhexadecylamine modulates expression of Iron deficiency and defense response genes in Medicago truncatula independently of the jasmonic acid pathwayPlants, 9 (5) (2020), 624.