Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві

Статтю присвячено проблемі біологізації сільськогосподарського виробництва, зокрема питанням біологічного азоту, ролі мікроорганізмів у поповненні його запасів у ґрунті та підвищення продуктивності рослин завдяки використанню бактеріальних препаратів. Розглянуто внесок українських учених у вирішен...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Петриченко, В.Ф., Коць, С.Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Статті та огляди
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69186
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві / В.Ф. Петриченко, С.Я. Коць // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 57-66. — Бібліогр.: 37 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-69186
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-691862014-10-08T03:01:45Z Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві Петриченко, В.Ф. Коць, С.Я. Статті та огляди Статтю присвячено проблемі біологізації сільськогосподарського виробництва, зокрема питанням біологічного азоту, ролі мікроорганізмів у поповненні його запасів у ґрунті та підвищення продуктивності рослин завдяки використанню бактеріальних препаратів. Розглянуто внесок українських учених у вирішення цієї проблеми, зокрема, представлено розроблену ними екологічно чисту технологію отримання рослинного білка на основі використання симбіотичної взаємодії високоефективних мікроорганізмів із сучасними сортами бобових рослин. Доведено економічний ефект від впровадження вказаної технології у виробництво. Статья посвящена проблеме биологизации сельскохозяйственного производства, в частности, вопросам биологического азота, роли микроорганизмов в пополнении его запасов в почве и повышения продуктивности растений за счет использования бактериальных препаратов. Рассмотрен вклад украинских ученых в решение данной проблемы, в частности, представлена разработанная ими экологически чистая технология получения растительного белка на основе использования симбиотического взаимодействия высокоэффективных микроорганизмов с современными сортами бобовых растений. Доказан экономический эффект от внедрения данной технологии в производство. The paper is devoted to problem of biologization of agricultural manufacture, in particular to issues of biological nitrogen, the role of microorganisms in resupply its stocks in the soil and increasing of plant productivity through the use of bacterial preparations. The contribution of Ukrainian scientists to solving this problem was considered, in particular it was presented the environmentally friendly technology provided by them to obtaining of plant protein through the use of symbiotic interaction of high effective microorganisms with modern cultivars of legume plants. It was proved the economic effect of implementing of this technology into manufacture. 2014 Article Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві / В.Ф. Петриченко, С.Я. Коць // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 57-66. — Бібліогр.: 37 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69186 581.557:631.527:631.461.5:635.6 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Петриченко, В.Ф. Коць, С.Я. Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві Вісник НАН України
description	Статтю присвячено проблемі біологізації сільськогосподарського виробництва, зокрема питанням біологічного азоту, ролі мікроорганізмів у поповненні його запасів у ґрунті та підвищення продуктивності рослин завдяки використанню бактеріальних препаратів. Розглянуто внесок українських учених у вирішення цієї проблеми, зокрема, представлено розроблену ними екологічно чисту технологію отримання рослинного білка на основі використання симбіотичної взаємодії високоефективних мікроорганізмів із сучасними сортами бобових рослин. Доведено економічний ефект від впровадження вказаної технології у виробництво.
format	Article
author	Петриченко, В.Ф. Коць, С.Я.
author_facet	Петриченко, В.Ф. Коць, С.Я.
author_sort	Петриченко, В.Ф.
title	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
title_short	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
title_full	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
title_fullStr	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
title_full_unstemmed	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
title_sort	симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69186
citation_txt	Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві / В.Ф. Петриченко, С.Я. Коць // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 57-66. — Бібліогр.: 37 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT petričenkovf simbíotičnísistemiusučasnomusílʹsʹkogospodarsʹkomuvirobnictví AT kocʹsâ simbíotičnísistemiusučasnomusílʹsʹkogospodarsʹkomuvirobnictví
first_indexed	2025-07-05T18:51:58Z
last_indexed	2025-07-05T18:51:58Z
_version_	1836834114481684480
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 57 ПЕТРИЧЕНКО Василь Флорович — академік НААН України, науковий директор Інституту кормів та сільського господарства Поділля НААН України КОЦЬ Сергій Ярославович — доктор біологічних наук, професор, завідувач відділу симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, kots@ifrg.kiev.ua СИМБІОТИЧНІ СИСТЕМИ У СУЧАСНОМУ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ Статтю присвячено проблемі біологізації сільськогосподарського виробни- цтва, зокрема питанням біологічного азоту, ролі мікроорганізмів у попо- вненні його запасів у ґрунті та підвищення продуктивності рослин завдяки використанню бактеріальних препаратів. Розглянуто внесок українських учених у вирішення цієї проблеми, зокрема, представлено розроблену ними екологічно чисту технологію отримання рослинного білка на основі вико- ристання симбіотичної взаємодії високоефективних мікроорганізмів із су- часними сортами бобових рослин. Доведено економічний ефект від впрова- дження вказаної технології у виробництво. Ключові слова: біологічна азотфіксація, симбіоз, бактеріальні препарати, бобові, селекція, виробництво білка. Вступ Тривала хіміко-техногенна інтенсифікація сільськогосподар- ського виробництва поглибила екологічні, економічні та енер- гетичні проблеми і спонукала до пошуку нового, науково об- ґрунтованого підходу до створення сучасних систем господа- рювання, які б забезпечували виробництво екологічно чистої рослинницької продукції. У зв’язку з цим індустріально розвинені країни, незважаючи на значні можливості щодо застосування мінеральних добрив, особливого значення надають біологізації сільськогосподар- ського виробництва. Слід зазначити, що біологічне землероб- ство — це не повна відмова від мінеральних добрив, а розумне і збалансоване застосування агротехнічних, агрохімічних та біологічних заходів у комплексі із системою інтегрованого за- хисту рослин та науково обґрунтованим чергуванням культур у сівозміні [1, 2]. У світовій практиці спостерігається тенден- ція до зниження доз застосовуваних добрив і зростає роль їх УДК 581.557:631.527:631.461.5:635.6 58 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ використання (з економічних та екологічних міркувань) у поєднанні з агротехнічними при- йомами, метою яких є збереження родючості ґрунтів. Вони передбачають, зокрема, науково обґрунтовані сівозміни та заходи, спрямовані на підвищення біорізноманіття корисної ґрун- тової мікрофлори. Сучасна агротехніка не допускає масового ураження рослин патогенними мікроорганіз- мами й обмежує розвиток і масове поширення комах. Вона полягає у відборі продуктивних і стійких до хвороб сортів сільськогосподар- ських рослин, своєчасному посіві якісним на- сінням, правильному чергуванні культур у сі- возмінах, внесенні необхідної кількості добрив, особливо органічних, вирощуванні сидераль- них культур. Створення сприятливих умов для росту і розвитку рослин підвищує їх продук- тивність і стійкість до різних негативних фак- торів довкілля, у тому числі фітопатогенів і комах-шкідників [3—5]. Прикладами таких перспективних напрямів у агропромисловому виробництві є широке використання бобово- ризобіальних систем у сівозмінах і розроблен- ня комплексних мікробних препаратів, завдя- ки чому можна зменшити собівартість сільсь- когосподарського виробництва (без зниження його рівня) і шкідливий вплив на навколишнє середовище, а також досягти екологічної чи- стоти продукції [6, 7]. У статті розглянуто результати багаторічних досліджень, виконаних ученими Національної академії наук України та фахівцями інших на- укових установ, які було покладено в основу циклу робіт «Бобово-ризобіальні системи в су- часному землеробстві», відзначеного Держав- ною премією України в галузі науки і техніки за 2012 р. Біологічний азот і роль мікроорганізмів у поповненні його запасів Серед основних елементів живлення рослин азоту належить одне з чільних місць. Неви- черпним його джерелом є атмосфера, 78 % складу якої становить саме цей елемент. У по- вітрі над 1 га земної поверхні міститься понад 80 тис. т молекулярного азоту [8]. Проте ні люди, ні тварини, ні більшість рослин не здатні засвоювати його в такій формі. Промислове зв’язування азоту атмосфери в аміак є досить дорогим процесом — на 1 кг ви- робленого і доставленого в господарство азоту витрачається як мінімум 1,5 кг рідкого палива, нераціональне використання якого призводить до відчутного погіршення стану довкілля: під- вищується кислотність ґрунтів, зменшується сума поглинутих основ, порушується співвід- ношення різних мінеральних елементів жив- лення — калію, кальцію, заліза, магнію та ін., підвищується рухливість важких металів та їх засвоюваність рослинами. Особливо небезпеч- ним є накопичення в ґрунті й рослинах над- лишкової кількості нітратів, які спричинюють утворення в організмі людини небезпечних для її здоров’я канцерогенних нітрозосполук [9]. Процес біологічної фіксації молекулярно- го азоту прокаріотами — ґрунтовими мікро- організмами-азотфіксаторами — відіграє важ- ливу роль у збагаченні ґрунтів азотом і має вирішальне значення для землеробства. Ці мі- кроорганізми поділяють на несимбіотичні й ті, що живуть у симбіозі з рослиною. У свою чергу, несимбіотичні поділяють на вільноіснуючі, які безпосередньо не пов’язані з кореневою систе- мою рослин, та асоціативні, що живуть у ґрун- ті безпосередньо біля коренів (у ризосфері), на поверхні коренів, листків, а іноді й усередині рослини [9]. Азотфіксуючі мікроорганізми здатні що- року засвоювати з повітря від 40 до більш як 300 кг азоту на гектар. Цей азот не забруднює довкілля і не потребує значних енергетичних затрат на виробництво. Про значущість проце- су біологічної азотфіксації свідчить той факт, що у світовій практиці сільського господар- ства щороку в ґрунт з мінеральними добрива- ми вносять 35 млн т азоту, тоді як за цей самий час рослини поглинають із ґрунту приблизно 75 млн т цього елемента. Різницю між зазна- ченими величинами компенсує діяльність мікробів-азотфіксаторів, насамперед бульбоч- кових бактерій, що зв’язують молекулярний азот у легкозасвоювані для рослини форми. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 59 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Бульбочкові бактерії ініціюють утворення спеціалізованих органів — бульбочок — на ко- ренях бобових культур (див. рис.), після чого між рослиною і бактеріями виникає симбіоз: бактерії зв’язують молекулярний азот атмо- сфери, передають його рослині, яка, у свою чергу, забезпечує їх поживними речовинами. Потенційні розміри симбіотичної азотфіксації можуть сягати від 130 до 390 кг фіксованого азоту на 1 га для зернобобових культур і від 270 до 550 кг азоту — для багаторічних бобо- вих трав [10—12]. Біологічний азот, який накопичується в ґрунтах у результаті фіксації з атмосфери бактеріями-діазотрофами при взаємодії з рос- линами, забезпечує збільшення врожайності основних сільськогосподарських культур при збереженні родючості ґрунтів та поліпшенні їх екологічного стану. Підвищення продуктивності рослин при використанні бактеріальних препаратів Теоретичним і практичним розробкам, спря- мованим на значне підвищення наявного рівня біологічного перетворення азоту атмосфери в органічні азотовмісні сполуки мікро ор га ніз ма- ми-азотфіксаторами, передусім, бульбочкови- ми бактеріями, відводиться особлива роль [13]. Адже ризобії в симбіозі з бобовими рослинами здатні фіксувати молекулярний азот повітря, забезпечувати потребу в ньому макросимбіон- та і накопичувати його у верхньому шарі ґрун- ту. Актуальним також є пошук нових азотфік- суючих мікроорганізмів і розроблення на їх основі ефективних симбіотичних асоціацій, які можна було б використовувати для підвищен- ня врожайності сільськогосподарських куль- тур, уникаючи водночас забруднення навко- лишнього середовища синтетичними сполука- ми [14—16]. Слід зазначити, що позитивний вплив мік- роорганізмів-азотфіксаторів на рослину не об- межується поліпшенням її азотного живлення. Бактеризація сприяє трансформації важкороз- чинних сполук ґрунту, в тому числі фосфор- них, у форми, що легко засвоюються рослина- ми. Крім того, бактеріальні препарати містять фізіологічно активні речовини (гормони, ві- таміни, амінокислоти, стимулятори росту рос- лин та ін.), які здійснюють пряму регуляцію росту рослин, зокрема, істотно, на 20—30 %, поліпшують використання добрив завдяки розростанню кореневої системи й підвищен- ню її поглинальних властивостей. При цьому корисні мікроорганізми, заселивши корені, не допускають інфікування рослини патогенни- ми мікроорганізмами, збільшуючи її стійкість до хвороб. Показано, що застосування біопре- паратів підвищує якість посівного матеріалу: зростає енергія проростання та схожість насін- ня, а також сприяє інтенсифікації фотосинтезу в бактеризованих рослинах [8, 17, 18]. Концептуальним напрямом розвитку біо- технологій у сільському господарстві є ство- рення оригінальних комплексних композицій багатофакторної дії, що поєднують властивос- ті регуляторів росту рослин, елементів жив- лення, засобів стійкості рослин до стресів і хвороб, безпечність для довкілля. Прикладом цього є використання мікробних біотехноло- гій і регуляторів росту рослин природного по- ходження. Бульбочки на корені сої 60 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ У відділі симбіотичної азотфіксації Інститу- ту фізіології рослин і генетики НАН України проводять роботу зі створення та дослідження ефективності дії комплексних композицій на основі компонентів природного (рослинного й бактеріального) походження з метою підви- щення продуктивності стратегічних для Ук- раїни сільськогосподарських культур (бобові й пшениця) та збереження родючості ґрунтів. В основу створення таких композицій покла- дено принцип індивідуального добору та мак- симальної комплементарності складових. Вони можуть містити культуру ґрунтових азотфік- суючих мікроорганізмів (бульбочкові бактерії або ризосферні діазотрофи), які забезпечують рослину екологічно безпечним біологічним азотом, є джерелом біологічно активних речо- вин (гормонів, вітамінів, амінокислот тощо) і речовин фунгістатичної та антибактеріальної дії, а також біологічно активні речовини рос- линного або бактеріального походження, що мають широкий спектр біологічної активності, позитивно впливають на розвиток бактеріаль- ної культури в композиції, підвищуючи таким чином інокуляційне навантаження кінцевого препарату і забезпечуючи максимальний сту- пінь реалізації потенціалу рослин но-бак те рі- аль них систем завдяки активізації важливих симбіотичних властивостей мікроорганізмів. Способи посилення симбіотичних властивос- тей мікроорганізмів, покладені в основу ство- рення комплексних композицій, захищено па- тентами України [19, 20]. Бактерії, що є основою бактеріальних до- брив, відбирають тривалою селекцією великої кількості мікроорганізмів, типових для ґрунтів нашої країни. Тому вони добре приживаються у ґрунті чи на коренях сільськогосподарських рослин, вирощуваних в Україні, і сприяють їхньому росту та розвитку. Завдяки цьому ві- тчизняні препарати мають значну перевагу над широко розрекламованими дорогими імпорт- ними аналогами, які проте не завжди ефектив- ні в наших ґрунтово-кліматичних умовах. Для людини і тварин такі мікроорганізми абсолют- но безпечні, а при внесенні у ґрунт істотно під- вищують його родючість. Бактеріальні добри- ва виробляють на основі спеціально створених високоефективних конкурентоздатних шта- мів. З метою забезпечення високої активності таких штамів їхню селекцію спрямовують на стійкість до низьких плюсових температур і підвищеного вмісту азоту. У процесі виділення ризобій із різних ґрун- тово-кліматичних зон науковці НАН України отримали ряд штамів, які не лише виявляють високі симбіотичні властивості, а й вирізняють- ся стійкістю до посухи, хлоридно-сульфатного засолення та дії важких металів. Виявлено, що такі штами здатні вступати в симбіоз із соєю та горохом за значних рівнів забруднення, а отже, використання їх як інокулянтів посилить еко- логічну роль бобово-ризобіального симбіозу в оздоровленні довкілля. За останні роки отримано понад 40 штамів азотфіксуючих мікроорганізмів, які характе- ризуються високими симбіотичними власти- востями та стійкістю до несприятливих умов довкілля і є основою сучасних препаратів для передпосівного оброблення насіння. Нові шта- ми захищено авторськими свідоцтвами й па- тентами. Переконливим доказом ефективності використання цих бактеріальних добрив у ви- рощуванні бобових культур є результати ба- гаторічних випробувань, проведених науков- цями в різних ґрунтово-кліматичних умовах України. Завдяки бактеризації посівного мате- ріалу комплементарними активними штамами бульбочкових бактерій було отримано суттєве підвищення зернової продуктивності рослин: Таблиця 1. Урожайність насіння сої за біологічної взаємодії з симбіотичними мікроорганізмами B. japonicum Варіант (штами- інокулянти) Урожай насіння (середній за 3 роки), ц/га Порівняно з виробничим штамом 634б ц/га % 634б (контроль, штам-стандарт) 24,7 — — 646 25,1 +0,4 +1,6 9—2 28,4 +3,7 +15,0 17—2 29,8 +5,1 +20,6 21—2 30,5 +5,8 +23,5 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 61 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ сої — на 15—23 %, гороху — на 11—20 %, люпи- ну — на 13—19 %, насіння люцерни — на 11— 30 %, а також приріст зеленої маси конюшини й люцерни на 12—25 % (табл. 1). Показано, що передпосівна інокуляція на- сіння бактеріальними культурами (моноіно- куляція) в умовах польових досліджень спри- яє підвищенню врожайності бобових культур у середньому на 12—15 %, пшениці — на 10 %. У разі використання комплексної бактеріаль- ної композиції, що містить кілька мікроорга- нізмів (поліінокуляція), для інокуляції насін- ня пшениці ярої та озимої зернова продуктив- ність культур підвищується в середньому на 12—18 %. При цьому мінеральні добрива засто- совують у межах фізіологічного оптимуму для культур. Використання передпосівного оброблення насіння рослинно-бактеріальними і бактеріаль- ними композиціями як технологічного прийо- му при вирощуванні сої та пшениці не чинить негативного впливу на ґрунт і сприяє розвитку агрономічно корисної групи азотфіксуючих мікроорганізмів, що поліпшує мікробіологічні показники ґрунту. Використання бобово-ризобіальних систем у сівозмінах Перенасичення сівозмін зерновими культу- рами зумовлює гостру потребу в розширенні площ під бобовими рослинами для інтенсифі- кації виробництва білка в Україні. Оптималь- на норма бобових культур у сівозмінах ста- новить 20—30 %, однак на сьогодні в Україні зернобобові вирощують на площі 1,8 млн га, а багаторічні бобові трави, яким належить про- відна роль у відновленні ґрунтової родючості, займають близько 1 млн га, що істотно менше оптимуму [21]. Таке становище змушує для отримання ви- соких урожаїв зернових і технічних культур вносити підвищені й екологічно шкідливі дози мінеральних азотних добрив, що в умовах еко- номічної кризи призводить до деградації ґрун- тів. Водночас у світовому землеробстві бобові культури посідають чільне місце завдяки уні- кальному хімічному складу, поєднанню висо- кого вмісту білка з підвищеними кількостями жирів і вуглеводів. Їм відводять провідну роль у подоланні труднощів, зумовлених енергетич- ною кризою, дефіцитом білка та необхідністю зниження антропогенного навантаження на довкілля. У зв’язку з цим стратегічним завдан- ням у вирішенні проблеми харчового й кор- мового білка, а також відновленні родючості українських ґрунтів є оптимальне розширен- ня площ посівів традиційних і нетрадиційних бобових культур. Потрібно також забезпечити ефективний симбіоз рослин із відповідними мікроорганізмами. У ґрунтово-кліматичних умовах нашої кра- їни бобово-ризобіальні системи здатні щороку фіксувати з атмосфери 40—300 кг азоту на 1 га посіву (табл. 2). Крім того, зернобобові та бага- торічні бобові трави є добрими попередниками для всіх сільськогосподарських культур у сі- возміні — їх позитивна післядія триває 2—5 ро- ків. Чергування культур у сівозміні з бобовими сприяє підтриманню та оновленню видового складу мікроорганізмів у ґрунті, у результаті діяльності яких формується й підтримується родючість. Одержано також вагомі фундаментальні ре- зультати стосовно функціонування мікробно- го комплексу ґрунту в умовах сільськогоспо- дарського виробництва, вивчено біологічне різноманіття прокаріотичних форм, полімор- Таблиця 2. Можливі розміри симбіотичної фіксації азоту та його надходження в землеробстві України Культура Середні роз- міри азотфік- сації, кг/га Залишок азоту в ґрунті, кг/га Еквівалент дози міне- ральних до- брив, кг/га Зернобобові (горох посівний, вика яра) 50—90 10—20 25—35 Соя 90—150 35—50 70—100 Багаторічні бобові трави (люцерна по- сівна, конюшина лучна, еспарцет піщаний) 120—350 60—120 150—200 62 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ фізм довжин рестрикційних фрагментів tRFLP, які відображують таксономічну структуру й генетичне різноманіття ґрунтової мікрофлори [22, 23]. Дослідження особливостей впливу за- стосування різних способів формування бо бо- во-ризобіальних систем на чисельність осно- вних таксономічних груп ґрунтової мікробіоти довели, що ротація культур у ланці сівозміни з бобовими сприяє збереженню та оновленню видового складу мікроорганізмів, які роблять значний внесок у формування й підтримання родючості ґрунтів. Слід зазначити, що взаємодія мікро- і ма- кросимбіонтів не завжди характеризується ви- сокою ефективністю фіксації молекулярного азоту. Багатьом сортам зернобобових культур властива недостатньо висока сприйнятливість до інокуляції активними штамами бульбочко- вих бактерій, унаслідок чого їх кореневу сис- тему заселяють спонтанні малоактивні місцеві раси. Частково це зумовлено тим, що основою інтенсивних технологій сільського господар- ства, які переважали донедавна, було керуван- ня розвитком рослин за допомогою штучних прийомів, зокрема використання агрохіміка- тів. Відповідно до цього проводили й селекцію рослин, наприклад, спрямовану на здатність до ефективного використання добрив. Такі підхо- ди дозволили різко підвищити продуктивність основних сільськогосподарських культур, од- нак, на жаль, їх застосуванню не передувало належне оцінювання генетичних та екологіч- них наслідків. Водночас сформована наприкінці XX ст. кон- цепція адаптивного сільського господарства (sustainable agriculture), яка ґрунтується на отриманні продукції з використанням біоло- гічних можливостей культивованих організмів за антропогенного навантаження [24], у разі застосування в рослинництві означає, що осно- вні екологічні завдання рослин — живлення та стійкість до шкідників — мають виконуватися за мінімального внесення добрив і засобів за- хисту, а функції агрохімікатів можуть бути здійснені в рамках симбіотичних зв’язків рос- лин із мікроорганізмами [25—27]. На жаль, ви- користання такого підходу обмежується тим, що сучасні сорти інтенсивного типу, як прави- ло, не здатні через свої генетичні особливості до повноцінної взаємодії з корисною мікро- флорою. Так, у більшості бобових потенціал симбіотичної азотфіксації, визначений в опти- мальних умовах, у 3—4 рази перевищує рівень, якого реально досягають у виробництві [28]. Водночас аналіз енергетичного й азотно- вуглецевого балансу рослин підтверджує, що за допомогою селекції бобових і вдосконален- ня технологій застосування мікробних препа- ратів інтенсивність симбіотичної азотфіксації можна збільшити не менш як у 3 рази [29]. Для реалізації потенціалу бобово-ризо біаль- них симбіозів потрібна серйозна перебудова селекції і генної інженерії рослин — перехід від створення сортів інтенсивного типу, орієнто- ваних на використання мінеральних добрив і хімічних засобів захисту, до конструювання «адаптивних» сортів, які розвивають не менш високу продуктивність завдяки потенціалу симбіотичних зв’язків, що сформувалися впро- довж тривалої коеволюції рослин з організма- ми, що їх оточують. Причому це завдання мож- на вирішувати на різних рівнях: а) відтворення в умовах агровиробництва природних біоцено- тичних (симбіотичних) зв’язків між рослина- ми і корисною мікрофлорою; б) якісне поліп- шення природних рослинно-мікробних систем, надання їм додаткових адаптивних функцій; в) конструювання принципово нових симбіо- тичних комплексів. Відомо [30], що рівень ефективності бобово- ризобіального симбіозу визначається геноти- пами обох партнерів — бульбочкових бактерій і бобових рослин-хазяїв. Узагальнення даних, отриманих на різних видах бобових, показало, що адитивні дії генотипів рослин і бактерій у середньому приблизно однакові, і кожна з них становить близько чверті від загального варію- вання симбіотичної активності. Генетичне контролювання з боку рослини- хазяїна виявляється, по-перше, у виборі спе- цифічного для певного виду рослин штаму бульбочкових бактерій. При цьому рослина може змінити його конкурентоздатність [31], а специфічність взаємодії між ними передба- ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 63 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ чає існування комплементарності генів у цих симбіонтах. По-друге, гени рослини-хазяїна зумовлюють початок утворення бульбочок, їхню кількість і загальний об’єм бактероїдної тканини на одну рослину [32]. По-третє, рос- лина визначає кінцеву ефективність симбіо- тичної азотфіксації. Так, у конюшини виявле- но два гени, що сприяють утворенню неефек- тивного симбіозу незалежно від властивостей використаного штаму бульбочкових бактерій [33]. По-четверте, бобова рослина, як і бакте- рії, бере участь у синтезі леггемоглобіну буль- бочок [34], який, зв’язуючи кисень, виконує функцію захисту чутливої до нього нітрогена- зи; по-п’яте, хоча синтез нітрогенази генетично детермінований у бактеріях, рослина несе ге- нетичну інформацію, що сприяє синтезу цього ферменту [35]. Сила впливу генотипів партнерів на показ- ники активності симбіозу значною мірою за- лежить від комплементарності сортів рослин і штамів бактерій. Важливість комплемен- тарності рослинно-мікробних асоціацій при формуванні симбіотичних відносин для під- силення поліпшення росту і розвитку бобових рослин було показано в ряді досліджень. Так, різні комбінації чотирьох сортів сої і чотирьох штамів бульбочкових бактерій B. japonicum мали суттєві відмінності у формуванні буль- бочок, їх азотфіксуючій активності, наростан- ні вегетативної маси, інтенсивності процесів фотосинтезу й дихання, а також урожайності рослин сої. Ці результати підкреслюють зна- чущість сорто-штамової взаємодії в системі рослина — мікроорганізм, оскільки саме такий тип зв’язку робить найбільший внесок у варі- ювання параметрів активних систем [36]. Було отримано дані, що свідчать про вагомий вплив генотипу рослини-хазяїна на результат кон- куренції між штамами ризобій за утворення бульбочок [37]. Застосування в симбіозі з сучасними сорта- ми зернобобових культур високоефективних штамів бульбочкових бактерій сприяє підви- щенню їх продуктивності на 20—30 % і збіль- шенню вмісту білка в зерні на 2—6 %, навіть за наявності в ґрунті аборигенних і/або раніше інтродукованих ризобій. У процесі селекції бо- бових рослин, здатних вступати в ефективний симбіоз із ризобіями, основну увагу приділя- ють виявленню джерел і донорів з певними ознаками — продуктивність, тривалість періо- ду вегетації, стійкість до найпоширеніших хво- роб та вилягання, високий вміст білка й жиру, стійкість проти знижених температур у період сходів та формування генеративних органів, посухостійкість, нейтральність до тривалості світлового дня, висока азотфіксуюча активність. По можливості, намагаються досягти якнай- більшого їх поєднання в одному зразку. Вивча- ючи колекцій сортозразків, відбирають форми за цими ознаками, в тому числі й за інтенсив- ністю симбіотичної азотфіксації, а потім вико- ристовують їх у схрещуванні згідно з розроб- леними програмами. Учені Національної академії аграрних наук України встановили сортові відмінності бобо- вих рослин за інтенсивністю біологічної азот- фіксації і на їх основі з використанням сучас- них методів біотехнології, генетики та селекції створили понад 70 сортів бобових культур, у тому числі 44 сорти нового покоління, зане- сені до Реєстру сортів рослин, придатних для поширення в Україні, які характеризуються Таблиця 3. Кількість сортів бобових культур, внесених до Реєстру сортів рослин України (станом на 2012 р.) Культура Роки реєстрації Усього по культурах1991— 1995 1996— 2000 2001— 2005 2006— 2012 Горох 2 — 1 — 3 Вика яра — — 1 1 2 Боби кор- мові — 2 1 1 4 Квасоля — — 1 2 3 Соя 4 9 15 16 44 Люцерна 1 2 — 1 4 Конюшина — 6 1 1 8 Лядвенець рогатий 1 1 2 — 4 Буркун білий 1 — — — 1 64 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ підвищеною інтенсивністю біологічної фікса- ції азоту в основних землеробських регіонах (табл. 3) [16]. Нові сорти не поступаються, а за низкою ознак навіть перевершують зарубіжні аналоги, вдало поєднуючи високу врожайність і вміст білка. При цьому селекцію зернобобових куль- тур, зокрема сої, було спрямовано на підви- щення частки рослин, здатних повноцінно роз- виватися завдяки симбіотрофному живленню азотом при взаємодії з бактеріальним штамом. Впровадження нових високопродуктивних сор- тів сої гарантує збільшення врожаю на 2,5 ц/га і на площі майже 500 тис. га забезпечує еконо- мічний ефект на рівні 0,4—0,5 млрд грн. Висновки У результаті глибокого вивчення біологічних механізмів функціонування такого унікаль- ного явища, як симбіотична азотфіксація, спільними зусиллями вітчизняних фахівців з низки наукових установ — Інституту кормів та сільського господарства Поділля НААН України, Інституту фізіології рослин і генети- ки НАН України, ННЦ «Інститут землероб- ства НААН», Національного університету бі- оресурсів і природокористування України та Відкритого міжнародного університету роз- витку людини «Україна» — розроблено еко- логічно чисту технологію виробництва рос- линного білка з використанням симбіотичної взаємодії мікроорганізмів із бобовими росли- нами. Її ефективність зумовлено такими скла- довими: вдосконалена схема виробництва препа-• ратів на основі симбіотрофних азотфіксаторів завдяки введенню в поживне середовище не- великих доз рослинного лектину, флавоноїдів, деяких регуляторів росту рослин або високо- дисперсних матеріалів, що істотно збільшує вихід бактеріальної біомаси за одночасного зменшення витрат сировини та електроенергії; використання нових штамів азотфіксую-• чих мікроорганізмів, здатних утворювати ефек- тивний симбіоз за несприятливих умов довкіл- ля (низьких температур, недостатнього зволо- ження, хлоридно-сульфатного засолення ґрун- тів та забруднення їх важкими металами); залучення в сівозміни нових сортів та лі-• ній бобових рослин (соя, горох) із підвищеною здатністю до симбіозу. Розроблена технологія має широкомасштаб- не впровадження. Доведено, що використання симбіотично фіксованого азоту сприяє здешев- ленню білка в 10 разів порівняно із внесенням мінеральних азотних добрив. Ефективне вико- ристання бобово-ризобіальних систем із засто- суванням передпосівної бактеризації насіння дає змогу економити до 90 кг/га мінерального азоту, отримувати екологічно чисту продук- цію, сприяє збереженню родючості ґрунтів, за- безпечує прибуток до 2100 грн/га залежно від культури, а загальний економічний ефект від впровадження результатів цієї роботи стано- вить близько 1 млрд грн на рік. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Петриченко В.Ф., Панасюк Я.Я. Агробіологічні основи оптимізації сівозмін та їх продуктивність в Україні: під- руч. — Вінниця: Рогальська І.О., 2012. — 200 с. 2. Патика В.П., Тихонович І.А., Філіп’єв І.Д. та ін. Мікроорганізми і альтернативне землеробство / за ред. В.П. Па- тики. — К.: Урожай, 1993. — 176 с. 3. Манько К., Музафаров Н. Вплив нетрадиційних попередників на сучасні сорти і гібриди жита озимого // Агро- ном. — 2012. — № 3. — С. 86—91. 4. Квітко Г.П. Наукове обґрунтування і розробка інтенсивних агротехнічних прийомів підвищення кормової про- дуктивності люцерни в Лісостепу України: автореф. дис. … д-ра с.-г. наук. — К., 1999. — 33 с. 5. Марков І. Агротехнічні прийоми попереджають хвороби // Агробізнес сьогодні. — 2013. — № 9. — С. 26—28. 6. Толкачев Н.З. Симбиотическая азотфиксация — экологически безопасный путь повышения продуктивности земледелия // Вісн. ОНУ. — 2001. — Т. 6, вип. 4. — С. 309—312. 7. Петриченко В.Ф., Тихонович І.А., Коць С.Я. та ін. Сільськогосподарська мікробіологія і збалансований розви- ток агроекосистем // Вісн. аграр. науки. — 2012. — № 8. — С. 5—11. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 65 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 8. Патика В.П., Коць С.Я., Волкогон В.В. та ін. Біологічний азот / за ред. В.П. Патики. — К.: Світ, 2003. — 424 с. 9. Коць С.Я., Моргун В.В., Патыка В.Ф. и др. Биологическая фиксация азота: бобово-ризобиальный симбиоз. Т. 1. — К.: Логос, 2010. — 508 с. 10. Кожемяков А.П. Продуктивность азотфиксации в агроценозах // Мікробіол. журн. — 1997. — Т. 59, № 4. — С. 22—28. 11. Коць С.Я., Маліченко С.М., Кругова О.Д. та ін. Фізіолого-біохімічні особливості живлення рослин біологічним азотом. — К.: Логос, 2001. — 271 с. 12. Минеральный и биологический азот в земледелии СССР / отв. ред. Е.Н. Мишустин. — М.: Наука, 1985. — 270 с. 13. Моргун В.В., Коць С.Я. Симбіотична азотфіксація та її значення в азотному живленні рослин: стан і перспекти- ви досліджень // Физиология и биохимия культ. растений. — 2008. — Т. 40, № 3. — С. 187—205. 14. Коць С.Я. Сучасний стан досліджень біологічної фіксації азоту // Физиология и биохимия культ. растений. — 2011. — Т. 43, № 3. — С. 212—225. 15. Коць С.Я. Использование современных методов генетической инженерии для получения эффективных штам- мов клубеньковых бактерий // Физиология и биохимия культ. растений. — 2012. — Т. 44, № 1. — С. 23—40. 16. Petrychenko V., Babych A., Ivanyuk S. et al. Soybean: State and perspective of the development in the Ukraine // Legume Perspectives. — 2013. — N 1. — Р. 37. 17. Волкогон В.В. Мікробіологічні аспекти оптимізації азотного удобрення сільськогосподарських культур. — К.: Аграр. наука, 2007. — 144 с. 18. Молекулярные основы взаимоотношений ассоциативных микроорганизмов с растениями / отв. ред. В.В. Иг- натов. — М.: Наука, 2005. — 262 с. 19. Патент № 55620А СО5F11/08. Спосіб підвищення симбіотичних властивостей повільнорослих бульбочко- вих бактерій Bradyrhizobium / О.В. Кириченко, С.М. Маліченко. — Опубл. 15.04.03. Бюл. № 4. 20. Патент № 62819А С05F11/08. Спосіб підвищення симбіотичних властивостей бульбочкових бактерій сої / О.В. Кириченко, Л.В. Титова, С.Я. Коць. — Опубл. 15.12.03. Бюл. № 12. 21. Коць С.Я., Моргун В.В., Патыка В.Ф. и др. Биологическая фиксация азота: бобово-ризобиальный симбиоз. Т. 2. — К.: Логос, 2011. — 523 с. 22. Патыка Н.В., Круглов Ю.В. tRFLP профиль комплекса прокариотических микроорганизмов подзолистых почв // Докл. РАСХН. — 2008. — № 6. — С. 21—23. 23. Patyka N.V., Kruglov Yu.V. TRFLP Profile of the Assemblage of Prokaryotic Microorganisms in Podzolic Soils // Rus. Agric. Sci. — 2008. — V. 34, N. 6. — P. 386—388. 24. Googley F., Baudry J., Berry R.J. et al. What is the road of sustainability? // INTECOL Bull. — 1992. — V. 20. — P. 15—20. 25. Тихонович И.А., Проворов Н.А. Пути использования адаптивного потенциала систем «растение—микроорганизм» для конструирования высокопродуктивных агрофитоценозов // С.-х. биология. — 1993. — № 5. — С. 36—46. 26. Шумный В.К., Сидорова К.К. Биологическая фиксация азота. — Новосибирск: Наука, 1991. — 271 с. 27. Vance C.P. Symbiotic nitrogen fixation and phosphorus acquisition. Plant nutrition in the world of declining renew- able resources // Plant Physiol. — 2001. — V. 127. — P. 390—397. 28. Кожемяков А.П., Тихонович И.А. Использование инокулянтов бобовых и биопрепаратов комплексного дей- ствия в сельском хозяйстве // Докл. РАСХН. — 1998. — № 6. — С. 7—10. 29. Вэнс К. Симбиотическая азотфиксация у бобовых: сельскохозяйственные аспекты // Rhizobiaceae. Молеку- лярная биология бактерий, взаимодействующих с растениями / под ред. Г. Спайнка, А. Кондороши, П. Хука- са. — СПб.: 2002. — С. 541—563. 30. Проворов Н.А., Симаров Б.В. Генетический полиморфизм бобовых культур по способности к симбиозу с клу- беньковыми бактериями // Генетика. — 1992. — Т. 28, № 6. — С. 5—14. 31. Robinson A.C. Host selection for effective Rhizobium trifolii by red clover and subterranean clover in the field // Austr. J. Agric. Res. — 1969. — V. 20. — P. 1053—1060. 32. Desai A. Rhizobial haemoglobin and aminolevulinic and synthetase activity in Rhizobium japonicum // Indian J. Exp. Biol. — 1977. — V. 15, N 17. — P. 528—530. 33. Nutman P.S., Bergersen F.J. Symbiotic effectiveness in nodulated red clover // Heredity. — 1957. — V. 11. — P. 157— 173. 34. Мильто Н.И. Клубеньковые бактерии и продуктивность бобовых растений. — Минск: Наука и техника, 1982. — 296 с. 66 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 35. Коць С.Я., Моргун В.В., Тихонович И.А. и др. Биологическая фиксация азота. Генетика азотфиксации, генетиче- ская инженерия штаммов. Т. 3. — К.: Логос, 2011. — 404 с. 36. Коць С.Я., Береговенко С.К.., Кириченко Е.В., Мельникова Н.Н. Особенности взаимодействия растений и азот- фиксирующих микроорганизмов. — К.: Наук. думка, 2007. — 315 с. 37. Khurana A.L., Sharma P.K., Dudeja S.S. Influence of host, moisture and native rhizobial population on nodule occu- pancy in chickpea (Cicer arietinum) // Zentralbl. Mikrobiol. — 1991. — V. 146, N 2. — P. 137—141. Стаття надійшла 27.11.2013 В.Ф. Петриченко1, С.Я. Коць2 1 Институт кормов и сельского хозяйства Подолья Национальной академии аграрных наук Украины проспект Юности, 16, Винница, 21100, Украина 2 Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины ул. Васильковская, 31/17, Киев, 03022, Украина СИМБИОТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В СОВРЕМЕННОМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Статья посвящена проблеме биологизации сельскохозяйственного производства, в частности, вопросам биологи- ческого азота, роли микроорганизмов в пополнении его запасов в почве и повышения продуктивности растений за счет использования бактериальных препаратов. Рассмотрен вклад украинских ученых в решение данной про- блемы, в частности, представлена разработанная ими экологически чистая технология получения растительного белка на основе использования симбиотического взаимодействия высокоэффективных микроорганизмов с со- временными сортами бобовых растений. Доказан экономический эффект от внедрения данной технологии в про- изводство. Ключевые слова: биологическая азотфиксация, симбиоз, бактериальные препараты, бобовые, селекция, произ- водство белка. V.F. Petrychenko1, S.Ya. Kots2 1 Institute of Feed and Agriculture of Podillya of National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine 16 Yunist Prospect, Vinnytsa, 21100, Ukraine 2 Institute of Plant Physiology and Genetics of National Academy of Sciences of Ukraine 31/17 Vasylkivska St., Kyiv, 03022, Ukraine SYMBIOTIC SYSTEMS IN MODERN AGRICULTURAL MANUFACTURE The paper is devoted to problem of biologization of agricultural manufacture, in particular to issues of biological nitro- gen, the role of microorganisms in resupply its stocks in the soil and increasing of plant productivity through the use of bacterial preparations. The contribution of Ukrainian scientists to solving this problem was considered, in particular it was presented the environmentally friendly technology provided by them to obtaining of plant protein through the use of symbiotic interaction of high effective microorganisms with modern cultivars of legume plants. It was proved the eco- nomic effect of implementing of this technology into manufacture. Keywords: biological nitrogen fixation, symbiosis, bacterial preparations, legumes, selection, protein production.

Симбіотичні системи у сучасному сільськогосподарському виробництві

Репозитарії

Схожі ресурси