Меню сайта Рубрики

Биологическая фиксация азота соей

 

В биологических системах растениям необходимо получать азот в определенном виде (например, в виде аммиака, нитратов или органических соединений). Он может поступать непосредственно из природных источников, при внесении минеральных удобрений или благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями. Хотя соя (Glycine max (L.) Merrill) может использовать для получения азота каждый из этих трех вариантов, в данной статье рассматривается ее способность фиксировать азот симбиотически.

Соя вступает в симбиоз с различными видами Rhizobium. Эти виды в большинстве случаев эволюционировали из основного (Китай) и вторичного (Индия) центров происхождения. В наше время проводится обстоятельная, традиционная и, с недавних пор, молекулярная таксономия этих видов с целью создания и дополнения общепринятой таксономии, опубликованной Виллемсом (2006). Виллемc классифицировал виды на быстрорастущие (Sinorhizobium fredii и Sinorhizobium xinjiangense, ранее описанные как случайная нодуляция), медленно растущие (Bradyrhizobium japonicum, Bradyrhizobium elkanii и Bradyrhizobium liaoningense) и виды промежуточного роста (Mesorhizobium tianshanense). Основные стадии процесса формирования клубеньков на корневой системе сои (рис. 1) описаны в табл. 1.

Таблица 1.

Стадии процесса формирования клубенька

Процесс Основные стадии
заражение бактериями прикрепление к корневым волоскам, быстрое размножение бактерий, связывание лектина, сигнализирование о факторе образования клубеньков
формирование инфекционных нитей, проникновение бактерий и рост инфекционных нитей скручивание корневых волосков и внутриклеточное заражение, отбор клоново-специфичных бактерий, прорастание нити в кору корня
формирование клубенька примордиальная клетка узелка возникает в коре рядом с местом инфицирования под воздействием нодулинов. Потом она продуцирует транскрипционные факторы, давая начало процессу формирования клубеньков. Происходит модулирование ауксина, цитокинина и других растительных гормонов. Предшественники гормонов, возможно, продуцируются бактериями для стимуляции формирования клубеньков
регуляция уровня образования клубеньков у бобовых встречаются гены Nark (гены роста клубеньков), которые регулируют количество клубеньков с помощью промежуточного гормона. В корнях также могут встречаться этилен-чувствительные гены

Как только бактерии инфицируют растение, они внедряются в корневые клубеньки, принимая особую форму, известную как бактероид. Соя имеет определенную структуру клубеньков с несколькими бактероидами в одном перибактероидном мешочке. Содержание кислорода в клубеньках поддерживается на уровне 3–30 нМ, диффузия кислорода происходит через межклеточные воздушные промежутки и кислородсвязывающий гемопротеин (леггемоглобин). Растение обеспечивает бактерии органическими кислотами в качестве источника углерода, а бактероиды экспортируют фиксированный азот в форме аммиака. Затем клубеньки сои модифицируют аммиак, чтобы экспортировать уреиды через ксилему в надземные части растений.

Фиксация азота соей Bradyrhizobium japonicum
Рис. 1 Азотфиксирующие клубеньки (Bradyrhizobium japonicum)

Бактериальная генетика и регулирование фиксации азота

В ранних работах исследовалась способность бактерий регулировать фиксацию азота в ответ на изменения в окружающей среде (например, недостаток нитратов). Однако позже было сделано предположение, что именно растение сдерживает воздействие окружающей среды на интенсивность формирования клубеньков и регулирование фиксации. То, что бактерии оказывают значительное влияние на эффективность фиксации, неоднократно наблюдалось в течение многих лет. В некоторых случаях дополнительную бактериальную эффективность можно объяснить наличием специфических генов, таких, как гены, способные поглощать водород. Газообразный водород выделяется как натуральный продут фиксации азота, и гены, отмечающие за способность поглотать водород, кодируются на возможность использовать этот водород для восстановления АТФ и, тем самым, снижения затрат энергии при фиксации азота. Необходимо приложить усилия, чтобы создать бактериальные штаммы сои, повышающие эффективность фиксации, например, путем введения генов Нир+ с минитранспозонами или через повышенную регуляцию ферментов, принимающих участие в метаболических процессах, таких как трегалоза-6-фосфат-синтаза. Приведут ли эти изменения к улучшениям в полевых условиях, остается под вопросом, поскольку для этого бактерии должны попасть в клубеньки и вступить во взаимодействие с другими факторами симбиоза, такими, как регулируемая растением экспрессия ризобиальных генов в бактероиды. Известно, что генетическая толерантность ризобий в неблагоприятных условиях может сказаться на симбиозе. Например, было установлено, что солеустойчивые клубеньковые бактерии фиксируют больше азота, если соя выросла в условиях засоленности.

Наибольшие трудности в использовании дополнительной генетической ризобиальной эффективности всегда возникали при внедрении эффективных бактерий в клубеньки растений в полевых условиях. Технологии, которые могут обеспечить большое количество высококачественных клубеньковых бактерий на семя (например, высококачественные гранулированные инокулянты), могут создать преимущества при использовании в полевых условиях, с учетом, что количество имеющихся в поле бактерий еще не очень высоко. Ученными был создан список требований к носителям инокулянтов и бактериям (табл. 2), с учетом важности контроля качества. Например, с возрастом качество инокулянта может снизиться, даже там, где бактерии выживают, а общее микробное число оставаться высоким.


Таблица 2

Основные требования к эффективной инокуляции

Носитель Клубеньковая бактерия Процессы
высокие водоудерживающие способности эффективна в формировании клубеньков регуляторный контроль качество, обеспечивающий как генетическую цельность, так и численность
не токсичность эффективна в фиксации контроль сроков годности
стерилизуемый широкая адаптивность к генетике растений и окружающей среде контроль условий хранения
дешевый устойчива к нитратам в почве тестирование носителя на посторонние вещества и токсичность
способный к буферизации рН легко возделывается invitro послепроизводственная проверка
высокая емкость катионного обмена хорошо сохраняется в почве (распространяется и выживает без хозяина)  –
 – генетически стабильная  –
 – совместима с агрохимикатами  –

Многочисленные исследования публикаций, от последних до источников 20-летней давности, указали на трудности, которые возникают при интродукции достаточного количества более эффективных клубеньковых бактерий в клубеньки сои, растущей в полях, где существуют аборигенные штаммы клубеньковых бактерий. И это несмотря на то, что такие клубеньковые бактерии более эффективны в фиксации азота и инокулируются в больших количествах на жидких или гранулированных носителях. Сохранение введенных клубеньковых бактерий усложняется сильным снижением их количества, которое может возникнуть в ответ на неблагоприятные условия в поле. Сравнительный анализ опубликованных полевых испытаний показал, что на каждые 10 % полевых интродукций штамма USDA 110 (штамм Нир+) в соевые клубеньки приводила к увеличению урожайности семян на 1 %. Таким образом, основная проблема в интерпретации реакции урожайности на инокуляцию заключается в необходимости определить, произошла ли интродукция инокулируемых бактерий в клубеньки.

На относительную эффективность заражения клубеньков бактериями могут повлиять почвенные условия, а также генетические особенности бактерий и продолжительность прикрепления бактерий к корням сои. Однако если в почве нет жизнеспособных, способных к заражению клубеньковых бактерий, применение ннокулянтов может спровоцировать очевидное усиление фиксации азота там, где его содержание в почве достаточно низкое. Также проблемой может быть выживаемость клубеньковых бактерий сои в почве при неблагоприятных условиях.

Для идентификации генов транскрипции в конкретных экологических ситуациях широко используется микроматричный анализ ДНК. Эту технологию можно применять как к свободно живущим бактериям, так и к бактероидам. Такая матрица существует для Bradyrhizobium USDA 110. В качестве примера использования микроматрицы для характеристики экспрессии генов было обнаружено, что в условиях засухи у свободно живущих клубеньковых бактерий сои была повышена регуляция экспрессии более 600 генов. В частности, было определено повышенную регуляцию экспрессии гена производства трегалозы. Последующее повышение уровня трегалозы привело к уменьшению активности внутриклеточной жидкости и защитило клубеньковые бактерии от высыхания. Экспрессия других генов также повышалась в ответ на засуху, в том числе регуляторов транскрипции, факторов репарации ДНК и общих генов белков стрессов. Установлено, что у фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) повышение экспрессии генов метаболического пути трегалозного синтеза у бактероидов уменьшает чувствительность растений к засухе. Этот механизм включал изменения метаболизма растений. Было установлено, что в тех мутантных линиях, которые производили трегалозу в избыточном количестве, наблюдалась положительная регуляция более 7000 генов в клубеньках растения. Эти данные доказывают существование механизмов применения трансгенных технологий к клубеньковым бактериям для улучшения фиксации азота соей при условии, что модифицированные бактерии могут быть введены в клубеньки в полевых условиях.

Биохимические процессы в клубеньках

Тщательный анализ биохимического метаболизма в бактероидах был опубликован Подвигом и Пулом (2003). В связи с этим данная статья посвящена представлению процесса в общих чертах, а также идентификации присущих сое компонентов. Основной процесс – это превращение поставляемой растением сахарозы в органические кислоты, которые транспортируются в бактероиды в качестве источника углерода. Бактериоид использует энергию для фиксации азота и возвращает растению аммиак, который затем преобразуется в уреиды для транспортировки по растению через ксилему. По последним данным, у сои наблюдается также транспортировка аминокислоты (аланина) от бактероидов к растению, которая может объяснить тот факт, что азотфиксирующая соя не транспортирует 100 % уреидов в своей ксилеме. Детерминантные клубеньки, такие, как у сои, также могут производить большие запасы поли- β-гидроксибутирата, который позже расщепляется и используется бактериоидами для стимулирования фиксации азота. Это дает сое преимущество в условиях длительного затенения или при других неблагоприятных условиях, которое состоит в том, что бактероиды не будут закрываться быстро, пытаясь избежать возможного повреждения кислородом. Следовательно, фиксация азота соей может продолжаться дольше, и она быстрее отойдет от последствий затенения. Регулирование процесса фиксации азота бактероидами в значительной степени зависит от усвояемости кислорода, которая модифицируется соей в ответ на экологические условия из-за вредного влияния избытка кислорода на нитрогеназу.

Азотный обмен у сои

Большую часть азота соя извлекает либо из почвы, либо путем азотфиксации, но какая-то его часть также может быть получена из листьев. Внекорневой азот может повысить содержание азота в сое без ущерба для фиксации, а также повлиять на корневое поглощение, равно как и подвергнуться воздействию последнего. Спаркс (2009) создал модель листовой подкормки азотом, при которой NО и NО2 превращаются в апопласте в ионы нитрита или нитрата. С помощью нитратредуктазы нитрат преобразуется в цитоплазме в нитрит, а нитрит преобразуется в хлоропластах сначала в NH4+, а затем в глутамин. Атмосферный NH3 преобразуется в NH4+, который под воздействием глютамин-синтазы преобразуется в глутамин либо в цитоплазме, либо в хлоропластах. Существует доказательство того, что позднее применение внекорневого азота может восполнить потери в фиксации азота и увеличить урожайность, поскольку основная часть запасов углеводов перераспределяется на семена, а процесс фиксации не дает достаточного количества азота. В качестве альтернативы для достижения того же эффекта была смоделирована ремобилизация азота в стебле. Суть в том, что использование медленнодействующих азотных удобрений может стимулировать рост сои без ущерба для фиксации азота и тем самым повысить одновременно и урожайность, и интенсивность фиксации азота.

Что касается поглощения корнями азота, полученного путем азотфиксаиии, или азота нитратов, то Мак-Нил (1984) продемонстрировал, что, хотя исходные продукты и распределение могут различаться, в конечном счете распределение азота по растению остается таким же. Это согласуется с моделью распределения азота в сое, к которой применялся тот же подход, что и к азоту, полученному путем фиксации или преобразования нитратов. Растения, которые находятся в полной зависимости от фиксации азота, могут использовать для развития симбиоза значительную часть ранее доступного азота, но при этом в связи с нехваткой азота замедляется рост надземной части, что приводит к снижению урожайности. Наиболее яркое проявление этого процесса можно наблюдать у сои с повышенной способностью к образованию клубеньков, которая использует существенно большее количество семядольных запасов азота на формирование корневой системы, чем обычная. Таким образом, с коммерческой точки зрения общей рекомендацией для зернобобовых культур, в том числе сои, является применение предпосевной дозы азота, благодаря которой они получают возможность поддержать эффективное образование клубеньков и при этом не страдать от дефицита азота.

Почвенные нитраты преимущественно транспортируются в надземную часть растения в виде аминокислот и только около 5 % – в виде свободных нитратов в ксилему. Фиксированный азот преимущественно транспортируется к надземной части в виде уреидов (около 80 % в полевых опытах на почвах с низким содержанием азота). Уреиды отличаются очень высоким соотношением азота и углерода и, следовательно, являются эффективным соединением по осуществлению транспортировки азота по растению. При наличии достаточного количества азота в почве уреиды составляют менее 10 % ксилемного азота; с другой стороны, в стрессовых ситуациях созданные и накопленные растением уреиды могут реутилизироваться в стебель, чтобы составить до 30 % от общего (низкого) количества ксилемного азота. Однако ни одно из этих композиционных различий, по-видимому, не влияет на общее распределение азота по растению. Уреиды не являются основным компонентом функциональных или азотсодержащих накопительных компонентов сои. Таким образом, создание и распад уреидов при фиксации азота соей являются неотъемлемым побочным процессом.

Факты свидетельствуют о том, что при повышенных уровнях СO2, соя фиксирует больше азота. Этот эффект усиливается в условиях засухи, когда увеличивается распад уреидов в листьях и, следовательно, снижается подавление фиксации азота. Также было доказано, что высокий уровень СO2 значительно усиливает интенсивность фотосинтеза сои, особенно в условиях сильной засухи. Тем не менее, хотя ожидалось, что многоклубеньковые мутатные формы сои благодаря повышенному уровню СО2 усилят интенсивность фотосинтеза в связи с высокой потребностью клубеньков в углеводах, в реальности они извлекли не больше пользы, чем их родители-немутанты. В сравнительном анализе результатов опытов, проведенных на культуре при повышении концентрации СО2 в окружающей среде, Тауб и др. (2008) показали, что при повышенном уровне СО2 для сои характерно значительное снижение процентного содержания азота. Однако благодаря способности сои фиксировать азот, это снижение было значительно ниже, чем наблюдалось у зерновых культур. Таким образом, нынешние данные свидетельствуют о том, что стремление повысить общее содержание азота в растении при повышенном уровне СО2 приносит меньше пользы, чем меры по регулированию ростовых процессов в целом. Интересно, что оценка генов с повышенной регуляцией экспрессии указала на активацию генов транспортировки и метаболизма лиственных нитратов при повышенном уровне СО2, предполагая скорее повышенное использование нитратов, чем увеличение азотфиксации.


Селекция штаммов бактерий на повышение азотфиксации

В попытках создать бактерии, которые обеспечили бы усиленный бобово-ризобиальный симбиоз путем усиления фиксации во всех средах или в конкретных условиях, были затрачены значительные усилия. Среди этих попыток – традиционная селекция бактериальных штаммов путем оценки эффективности работы бактерий или оценки эффективности инокуляции растений, мутация бактерий и использование технологий генной инженерии для производства измененных бактерий. Также были предприняты попытки по повышению выживаемости бактерий в полевых условиях и их способности формировать клубеньки на корнях растений на более поздних этапах развития. Нет никаких сомнений в том, что в лабораторных и полевых условиях селекционированные штаммы могут усилить интенсивность азотфиксации в случае, если они могут образовывать клубеньки в значительном количестве. Как следствие, по всему миру существуют многочисленные коллекции культур Rhizobium (например, Национальная коллекция зародышевой плазмы Rhizobium в Службе сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США; Австралийская национальная коллекция зародышевой плазмы Rhizobium), которые предоставляют бактерии для ризобиальной инокуляции. Так, например, ученными было изучено производство инокулянтов в Австралии и внесено несколько предложений, которые могут привести к улучшениям азотфиксации во всем мире. Текущей задачей остается внедрение эффективных и действенных бактерий в клубеньки сои, растущей в почвенной среде с высоким уровнем конкуренции, и поддержание их выживаемости на высоком уровне за счет естественных изменений в окружающей среде. Не менее важными являются результаты наблюдений, свидетельствующие о том, что большинство реакций на уровне растения, касающихся количества зафиксированного азота и клубеньков, а также постоянства этих процессов в течение всего срока существования растительного организма, контролируются растением, а не клубеньковыми бактериями.

Селекция растений на повышение эффективности азотфиксации

Очевидно, что селекция сои на повышение эффективности азотфиксации путем отбора подходящих форм была желаемой, искомой целью. Было доказано, что на фиксацию азота воздействуют генетические изменения, появившиеся как вследствие естественного отбора, так и в результате мутации. Повышенная эффективность азотфиксации и увеличение количества клубеньков характерны для мутантных форм, отличающихся супер- и гиперобразованием, а также случайным образованием клубеньков. Кроме случаев, касающихся этих характеристик, азотфиксирующие характеристики сои, как правило, полигенны по наследованию и, похоже, переносятся в усовершенствованное производство через повышение продуктивности культуры в целом.

Существует множество публикаций, в которых дается описание линий сои с естественной высокой эффективностью фиксации азота. Хэрридж и Дансо (1995) перечислили ряд линий корейского происхождения, а также ряд определенных другими учеными линий и сортов, которые характеризуются повышенной эффективностью азотфиксации в условиях высокого содержания нитратов. Линии с высокой эффективностью азотфиксации были скрещены с элитными родителями, но полученный урожай был не таким высоким, как тот, который удалось получить с элитных линий. Хэрриджу и Роузу (2000) не удалось добиться особых успехов в повышении урожайности в рамках обширной долгосрочной программы, в процессе которой высокие азотфиксирующие способности были внедрены в элитные сорта сои, созданные из оригинальных корейских линий. В результате они получили хорошо адаптированные сорта с высокой эффективностью фиксации азота, но низкой урожайностью. Впоследствии были определены линии с высокой эффективностью фиксации азота, а также наследственные значения признака плюс расположение локусов количественных признаков для линий бразильской сои с высокой и низкой эффективностью фиксации азота. Это говорит о том, что ученые продолжают прилагать значительные усилия в попытках добиться успехов в селекции с помощью этого метода. Отсутствие убедительных доказательств получения хорошо адаптированных линий с высокой эффективностью фиксирования азота вследствие естественного или искусственного отбора наводит на мысль о том, что при непрямой селекции признак способности к азотфиксации не усиливается. Было выдвинуто предположение о долгосрочной, статистически значимой тенденции к снижению эффективности фиксации азота соей вследствие непрямой селекции. Это навело некоторых авторов на мысль о том, что основным преимуществом линий с высокой эффективностью азотфиксации будет сохранение азота для последующих культур севооборота, а не повышение урожайности.

В попытке преодолеть ограничения, наложенные естественными различиями в способности к фиксации азота и необходимостью возвратного скрещивания признака в элитные линии, ученные произвели мутацию сорта сои Bragg и создали целый ряд супер- и гиперклубеньковой сои. Эти оригинальные, а также позднее созданные мутанты с тех пор подверглись пристальному изучению с агрономической, физиологической и генетической точек зрения. Они также были использованы для более глубокого понимания регулирования формирования клубеньков на длинном и коротком расстоянии, в частности, геномом nark, который регулирует формирование клубеньков через экспрессию в надземной части сои. Как правило, при проведении испытаний в полевых условиях многоклубеньковые линии показывают более низкую урожайность, чем родительские сорта, хотя уровень содержания и выноса азота у них может быть более высоким. Тем не менее, совсем недавно было сделано сообщение о том, что многоклубеньковые генотипы (особенно Kanto 100) могут иметь высокую урожайность. Ученными были подведены итоги экспериментов с Kanto 100 – многоклубеньковым мутантом возвратного скрещивания сорта Enrei, – во время которых в условиях отсутствия заболачивания и низкой урожайности он превзошел по показателям родительские высокоурожайные, хорошо адаптированные сорта с низкой эффективностью азотфиксации. Интересно, что беккросные линии также значительно улучшили свою урожайность по сравнению с исходной мутированной линией. В высокоурожайных условиях Kanto 100 зафиксировал больше азота, но его урожайность не сильно отличалась от урожая семян, полученного с родительского сорта. Взятые вместе, эти данные свидетельствуют о том, что, используя гены, отвечающие за повышенное образование клубеньков, можно получить одинаковую урожайность и более интенсивную фиксацию азота, которая принесет больше преимуществ в севообороте.

Другая дополнительная возможность селекции растений основывается на случайности формирования клубеньков у сортов сои. Вследствие этого возникли два следующих метода: 1) селекция на линии с высокой способностью к случайному формированию клубеньков, которые формируют клубеньки, используя естественно присутствующие в почве клубеньковые бактерии; 2) селекция на линии с ограниченными возможностями образования клубеньков, которые смогут образовать симбиоз только с более качественными клубеньковыми бактериями, присутствующими в почве, или могут быть искусственно инокулированы достаточным количеством подходящих клубеньковых бактерий. Первый метод позволил получить ряд успешных сортов для использования в областях, где Bradyrhizobia не присутствует естественным образом, но где почва содержит другие клубеньковые бактерии, способные формировать клубеньки на некоторых генотипах сои. В частности, он может найти применение в местах отсутствия хороших систем для доставки эффективных инокулянтов.

Для селекции сои на улучшенную фиксацию азота можно прибегнуть к генетической модификации. Более половины возделываемой по всему миру сои сейчас является генетически модифицированной (ГМ) (http://www.gmo-compass.org), так что никаких технических проблем с генетической модификацией сои не возникает. По свидетельствам некоторых ученных, использование ГМ-сои и взаимодействующих с нею гербицидов, по всей видимости, не приводит к снижению интенсивности азотфиксации. Кроме того, было установлено, что ГМ-соя не подавляет колонизацию клубеньковыми бактериями. Тем не менее в настоящее время программа создание ГМ-сои не имеет четких целей. Создание многоклубеньковой (или с высокой эффективностью фиксации азота) сои не вызывает затруднений. Сложность заключается в получении выгоды от повышенной эффективности фиксации. По этой причине селекция с использованием генетической модификации должна быть сориентирована на другие цели. Поскольку эффективность азотфиксации отличается сильной чувствительностью к дефициту фосфора, заболачиванию, засухе, засоленности и, возможно, повышенному содержанию СО2 (табл. 3), должны существовать возможности непрямой селекции на увеличение эффективности азотфиксации, которым должна предшествовать селекция на улучшение в этих сферах с помощью ГМ-технологий. Было предложено улучшить использование содержащегося в растениях фосфора с помощью молекулярного подхода – этот метод может пригодиться при улучшении интенсивности азотфиксации на почвах с низким содержанием фосфора. На данный момент нет единого подхода, который доказал свою эффективность применительно к сое, будь то через прямые выгоды или через косвенные, вследствие улучшения азотфиксации.


Таблица 3

Влияние внешних условий окружающей среды на фиксацию азота соей

Стрессовый фактор

Степень воздействия

Тип воздействия
соль 210 ммоль подавление формирования клубеньков и фиксации азота. Оказывает больше воздействия на формирование клубеньков, чем любой из симбионтов
нитрат более 20 кг N/га подавление формирования клубеньков и фиксации азота. Частично преодолевается генотипами растений
нитрат 200 кг N/га популяция клубеньковых бактерий в почве не пострадала. Значительно сокращен симбиоз
недостаток влаги менее 5,5 % в почве сокращение количества бактерий в клубеньках, плохая выживаемость инокулянтов в почве, ухудшение формирования клубеньков и эффективности азотфиксации. Частично преодолевается повышением уровня СО2
высокая температура более 35–40oС ухудшение формирования клубеньков и фиксации азота. Частично преодолевается генотипами растений, но без прямой связи между способностью растения к росту и способностью к фиксации азота. Возможна гибель клубеньковых бактерий в почве
кислотность рН 4,6 негативно сказывается на формировании корней. Фиксация азота более чувствительна, чем рост растений
кадмий, никель, медь, цинк, свинец более 10 мг/кг почвы ухудшение формирования клубеньков оказывает больше воздействия на структуру клубенька, чем на растение

более 1–5 мг/кг почвы

ухудшенная фиксация азота
нитрит более 10 ммоль не оказывает влияния на фиксацию бактерий в клубеньках
гербицид рекомендованная норма сетоксидим, алахлор, флуазифоп-П-бутил и метолахлор не оказывают влияния на азотфиксацию, паракват снижает ее эффективность. В полевых условиях результаты часто отличаются
ночные заморозки менее 15°С снижение эффективности фиксации азота до 45 %
озон 1,5 нормы снижение эффективности фиксации, преодолевается повышением уровня СO2
СO2 менее 500 мг/кг оказывает влияние на снижение эффективности азотфиксации, но не такое сильное, как на общий рост растения
пролин бактерии не в состоянии метаболизировать пролин. Плохая фиксация азота в условиях засухи, которая повышает уровень пролина в растении
избыточное увлажнение 10 дней подавление фиксации на нескольких стадиях роста

Ограничения системной биологической фиксации азота

Доказано, что эффективность фиксации азота соей в полевых условиях может снижаться под влиянием широкого спектра внешних стрессовых условий. Чувствительность фиксации азота может быть просто связана с прекращением роста растения-хозяина, но часто симбиоз оказывается более чувствительным к неблагоприятным окружающим факторам, чем сами растения. Например, доказано, что процессы формирования клубеньков и фиксации азота отличаются большей чувствительностью к избыточной засоленности, чем само растение, и это частично компенсируется за счет использования соответствующих штаммов Rhizobium. Захран (1999) рассмотрел симбиоз бобовых в целом в суровых и засушливых климатических условиях и указал, что осмотический стресс и стрессы, вызванные засолением, сильным дефицитом почвенной влаги, высокой температурой, кислотностью и щелочностью почвы, гербицидами, дефицитом и токсичностью питательных веществ, подавляют образование клубеньков и фиксацию азота. Краткое описание наблюдаемых эффектов см. в табл. 3. Был внесен ряд предложений о создании специфичных клубеньковых бактерий или комбинации штамм-сорт, которые лучше проявят себя в стрессовых условиях. Однако, ряд других ученых (2003) заявили в своем обзоре, что единственный и самый лучший способ повышения эффективности азотфиксации бобовыми состоит в применении клубеньковых бактерий там, где они не доступны в почве. При возделывании сои это достигается путем использования сортов с случайным образованием клубеньков. При этом, с агрономической точки зрения оптимизация растениеводства также оптимизирует фиксацию азота, за исключением случаев, где азот минеральных удобрений подавляет фиксацию. Принимая во внимание генетическую изменчивость на подавление или фиксацию азота, они предположили, что азотустойчивые сорта могут сохранить больше азота для севооборота.

Преимущества использования сои в севообороте

В пределах «кукурузного пояса» США предпочтение отдается севообороту кукурузы (Zea mays) и сои, а не непрерывному возделыванию культур, поскольку такой севооборот позволяет получить более высокий урожай семян с обеих культур. Производственные затраты при этом не такие высокие, в частности, при севообороте кукуруза–соя требуется меньше азотных удобрений, чем при бессменном возделывании кукурузы. Севооборот кукуруза–соя также сокращает глубокое вымывание нитратного азота, чего не наблюдается при бессменном возделывании кукурузы. Уменьшение стресса, вызванного вредителями и болезнями, может повысить урожайность в севообороте. В этой статье основное внимание уделяется преимуществам, связанным с экономией азота. В первую очередь, как уже было указано, в Бразилии 80 % необходимого ей азота соя получает благодаря азотфиксации, при среднемировом показателе около 60 %, так что прямые выгоды для производителей сои налицо. Масштаб выгоды также можно увеличить за счет использования сортов сои с повышенной способностью к образованию клубеньков и умеренными требованиями к азотному питанию. Для условий Канады был создан калькулятор для подсчета эффективности сои как азотфиксатора, по данным которого соя значительно уступает другим, изучаемым в опыте, бобовым культурам (горох, нут и конские бобы). Вполне возможно, что в связи с большими количествами азота, отчужденного с урожаем семян (150–200 кг/га), соя часто может выступать в качестве поглотителя, а не источника азота, и любые преимущества по азоту возникают за счет его сбережения, а не фиксации. Было обнаружено, что в ротации с кукурузой в штате Небраска соя оставила 46 кг N/га (хотя только при высокой популяции растений). Это указывает на потенциал для существенного сбережения азота в системах севооборота на основе сои. Тем не менее в большинстве статей, посвященных севообороту, указывается на то, что улучшение ситуации с азотом только частично объясняется преимуществами севооборота. Размер получаемых от использования севооборота выгод также может существенно отличаться в зависимости от типа почвы и используемого севооборота. Тем не менее при любых обстоятельствах значительное потребление азота соевой культурой означает, что выгода, как правило, невелика.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *