Исследования по выявлению индукторов супрессивности на основе фитосанитарного мониторинга 3-х основных типов почв проведены в лесостепи Западной Сибири. В экспериментах использованы общепринятые и оригинальные методы анализа почвы. Почвы агроценозов заселены B. sorokiniana существенно (в 1,5–4,3 раза) больше почв целинных аналогов. Супрессивность целинных почв была до 2,5 раза больше, чем почв агроценозов: выщелоченного чернозема и серой лесной почвы — на ~25% превышала чернозем южный. Супрессивность всех типов почв к B. sorokiniana и F. sporotrichioides обусловлена как биотическими факторами, так и физико-химическими характеристиками почвы, в отношении F. oxysporum — преимущественно биотическими показателями. В отношении B. sorokiniana супрессивность чернозема выщелоченного увеличивалась на 46–61% в сравнении с контролем и сопровождалась практически полной деградацией конидий микромицета под действием перегноя, сидератов (гороха, овса), а также пшеничной соломы (совместно с суспензией штаммов Pseudomonas fluorescens или перегноем). Индукция биотической супрессивности агротехнологическими приемами более существенно проявлялась в отношении F. oxysporum, чем F. sporotrichioides. Рост F. oxysporum наиболее эффективно подавлялся аммонийным и полным минеральным удобрением, овсяным сидератом и при удобрении соломой (в сочетании с нитратным азотом или перегноем). В отношении F. sporotrichioides наилучшее антигрибное действие проявили перегной, гороховый сидерат и солома совместно с нитратным азотом. Рост супрессивности почвы в отношении F. oxysporum обусловлен повышением ее гетеротрофной активности, увеличением численности олиготрофных бактерий (в 2,5 раза, r = 0,582 ± 0,079) и актиномицетов (до 9 раз). Биологическая эффективность органических и минеральных удобрений в подавлении возбудителей корневой гнили яровой пшеницы оценена в 46-89%, наибольшая эффективность (73-89%) установлена в вариантах с аммонийным и полным минеральным удобрением, сидератами и пшеничной соломой (с добавлением перегноя или нитратного азота). Во всех случаях повышение супрессирующей активности почвы сопровождалось ограничением развития болезни, достоверная отрицательная связь этих явлений составила: в отношении F. oxysporum — r = – 0,781 ± 0,057, F. sporotrichioides — r = – 0,668 ± 0,080 и B. sorokiniana — r = – 0,551 ± 0,081.
Введение
По данным ФАО, мировые площади деградированных и кондуктивных (благоприятных для фитопатогенов) почв превысили 1,2 млрд га, а прямые убытки от почвоутомления, фитотоксичности почвы и вредоносности почвенных фитопатогенов составляют ~25% потерь мирового урожая. Увеличение ареала кондуктивных почв и их заселение, в частности, возбудителями корневых гнилей важнейших сельскохозяйствен культур превратилось в мировую проблему [1]. Эти фитопатогены на территории России практически повсеместно (на ~80%) заселили почву агроценозов зерновых злаковых культур выше биологических порогов вредоносности (ПВ). Жизнеспособность их инокулюма даже в отсутствие растений-хозяев сохраняется в течение 5-15 лет [2].
В сложившихся условиях обеспечение благоприятного фитосанитарного состояния почв агроценозов, минимизация их фитотоксичности (токсикоза) и ограничение длительности выживания покоящихся структур возбудителей корнеклубневых инфекций достигается индукцией и поддержанием супрессивности почвы в отношении комплекса наиболее экономически значимых фитопатогенов [3-7].
Cистема мониторинга фитосанитарного состояния почв и их супрессивности, несмотря на ее исключительную роль в обеспечении экологической и продукционной стабильности агроэкосистем, разработана пока сравнительно фрагментарно. Это одна из актуальнейших проблем, необходимость решения которой будет возрастать по мере реализации парадигмы устойчивого развития общего и частного земледелия [8].
Заселяя почву агроценозов, фитопатогены и сапротрофы при определенных условиях продуцируют метаболиты, вызывающие ее фитотоксикоз. Полагают, что именно под влиянием фунгицидов в почвенных микоценозах со временем увеличивается доля токсиногенных видов и форм микробиоты [9-16]. Токсикозы почв опасны не только для растений из-за подавления их роста и развития. Микотоксины, включаясь в пищевые цепи экосистем, попадают в организм человека и теплокровных животных. Наибольшую угрозу представляют токсиногенные микромицеты (рр. Fusarium, Aspergillus, Penicillium), продуцирующие микотоксины, опасные для теплокровных [12]. В ряде случаев даже некоторые целинные почвы характеризуются фитотоксичностью, что свидетельствует об ухудшении общего экологического состояния отдельных агроландшафтов Западной Сибири [2].
Большинство фитопатогенов, широко представленных в почвенных экосистемах (ПЭ) зерновых агроценозов, являются их естественными резидентами. Они обитали в почве до начала земледелия. В процессе эволюции фитопатогены сформировали паразитарные системы с дикорастущими представителями местной флоры. Гомеостаз подобных систем поддерживается антибиотическим действием геобионтов-антагонистов [2, 17, 18].
В настоящее время в зернопроизводящей зоне Западно-Сибирского региона экономически значимыми являются несколько видов микромицетов. Прежде всего, это возбудитель гельминтоспориозной (обыкновенной) корневой гнили зерновых злаков — несовершенный гриб Helminthosporium sativum Pam., Kinget Bakke (syn. Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoemaker, Helminthosporium sorokiniana Sacc.), половая стадия возбудителя Cochliobolus sativus (Ito et Kurib.). Патоген, имея широкие трофические связи, паразитирует в общей сложности на более чем 65 видах злаков (кострец безостый, тимофеевка луговая, пырей ползучий, овсяница луговая, ежа сборная, регнерия волокнистая, полевица обыкновенная, мятлик луговой и др.) [19-22].
Другой экономически значимый для региона фитопатоген — Fusarium sporotrichioides Sherb. — несовершенный (анаморфный) гриб из класса сордариомицетов, токсинопродуцент, телеоморфа неизвестна [3, 23]. Микромицет образует несколько типов микроконидий: просто шаровидные и шаровидные с остроконечием, яйцевидные, грушевидные, веретеновидные, большей частью одноклеточные, реже с 1-3 перегородками. Макроконидии — веретеновидно-серповидные, обычно с тремя перегородками. Хламидоспоры обильные, в гифах, обычно в цепочках, охряно-коричневые. Фитопатоген поражает большинство полевых культур Западно-Сибирского региона, продуцируя опасные для теплокровных: Т-2-токсин, НТ-2, неосоланиол и фузаренон-Х.
Преобладающие затраты адаптивных усилий у почвенных фитопатогенов направлены на тактику выживания. Эволюционный успех этих видов определяется не активным размножением, а повышенной выживаемостью, благодаря чему они обеспечивают стабильность численности популяций во времени [2, 20, 24]. Согласно экспертным оценкам авторов [25, 26], затраты адаптивных усилий у почвенных микромицетов на другие тактики жизнедеятельности — размножение и расселение в пространстве — в сравнении с типичными r-стратегами сравнительно небольшие, от низких до умеренных.
Наиболее уязвимым звеном в тактике выживания у обсуждаемых почвенных фитопатогенов является фаза механизма передачи инфекции растению-хозяину. В этот период происходит выход пропагул из состояния фунгистазиса и их прорастание. Повышение супрессивности почвы посредством обогащения ризосферы растений-хозяев антагонистами, регулирования ее физикохимических характеристик, а также применение специальных агротехнологических приемов препятствует инфицированию растений, не допуская их массового заболевания. Именно поэтому индукция супрессивности должна стать основным мероприятием в тактике оздоровления почв агроценозов и элиминирования почвенных фитопатогенов [5, 7, 18, 26-29].
Супрессивность почвы (природная и/или индуцированная) — это совокупность ее биологических, физико-химических и агрохимических свойств почвы, ограничивающих выживаемость и паразитическую активность почвенных фитопатогенов и некоторых других вредных геобионтов [26]. Предложенная инновационная методика определения общей супрессивности почвы, оригинальность которой подтверждена патентом, обладает такими преимуществами, как экспрессность, универсальность, простота исполнения и интерпретации результатов [30]. В условиях практически повсеместного домирования почвенных инфекций важнейших сельскохозяйственных культур для оценки степени токсикоза и инфицированности почвы, а также для их крупномасштабного картирования целесообразно использовать количественные показатели супрессирующей активности. Они объективно характеризуют болезнеустойчивость почв агроценозов применительно к конкретным фитопатосистемам [31, 32]. На основе этих показателей составляются фитосанитарные почвенные картограммы, востребованные землепользователями [33].
Устойчивые сорта, фитосанитарные предшественники, органические удобрения, в особенности сидеральные, а также некоторые минеральные удобрения, БАВ, микробиопрепараты могут быть индукторами супрессивности в отношении возбудителей корневых гнилей зерновых злаковых культур.
Однако эффективные элементы агротехнологий и их количественные характеристики изучены пока недостаточно. Важно также исследовать механизмы действия отдельных индукторов супрессивности почвы на компоненты ПЭ, чтобы корректно рекомендовать производству агротехнологии, обеспечивающие долговременное и устойчивое повышение супрессирующей активности зональных почв конкретных агроценозов.
Цель работы — на основе фитосанитарного мониторинга Западно-Сибирских почв выявить факторы индукции их супрессивности. В соответствии с поставленной целью в процессе исследования решали следующие задачи:
Методика исследования
С использованием предложенного метода [18] проводили мониторинг супрессивности 3-х типов почв Западной Сибири. Оценивали также отдельные элементы агротехнологий, обеспечивающие самоочищение и оздоровление почвы. В числе потенциальных индукторов и средств повышения урожая испытывали различные органические и минеральные удобрения, а также препараты микробов-антагонистов.
Для мониторинга естественной и индуцированной супрессивности, согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 (общие требования к отбору проб почвы), до посева на полях и целинных участках отбирали почвенные образцы в хозяйствах лесостепи Новосибирской и Томской обл. В общей сложности было отобрано по 12 проб целинной и освоенной почвы на черноземе выщелоченном и южном и на серой лесной почве.
Содержание пропагул фитопатогенов B. sorokiniana определяли методом флотации [33], Fusarium spp. — методом почвенных разведений на картофельно-сахарозном агаре [34, 35]; механизм биотической супрессивности оценивали по общей численности микроорганизмов на средах ЧА и ПА [35]; биологическую активность почвы оценивали по выделению CO₂ [36, 37], общую супрессивность — согласно [30]. Для изучения абиотического компонента супрессивности образцы почвы дважды прогревали до 150°C в течение 1 ч.
Индукторы супрессивности почвы выявляли в вегетационном эксперименте на освоенном выщелоченном черноземе, искусственно инокулированном конидиями B. sorokiniana на уровне 3-4 ПВ (порог вредоносности). Опытные варианты закладывали в 10-кратной повторности в пластиковых сосудах вместимостью 1 л. Дно каждого сосуда засыпали стерильным керамзитом слоем 1-2 см. Полив сосудов проводили ежедневно по весу для поддержания влажности почвы на уровне 70% ПВ. Расчет доз удобрений проводили по общепринятым методикам [38]. Продолжительность эксперимента — 120 сут. В течение 3-х последних недель эксперимента в сосуды высевали семена яровой пшеницы сорта Баганская 95 (по 10 семян на сосуд). В фазе 3-4-х листьев определяли развитие корневой гнили растений дифференцированно по органам и устанавливали этиологию болезни микологическим анализом на ЧА.
Результаты и их обсуждение
Мониторинг супрессивности чернозема выщелоченного, южного и серой лесной почвы к наиболее значимым почвенным фитопатогенам. Изучение супрессивности начали с мониторинга зональных почв — оценки их заселенности наиболее значимыми группами почвенных фитопатогенов — возбудителей корневых гнилей (табл. 1). На основании полученных данных можно заключить, что заселенность целинных почв возбудителем обыкновенной корневой гнили B. sorokiniana была на уровне или меньше ПВ, почвы агроценозов были заселены патогеном в 1,5-4,3 раза больше целинных аналогов. Дисперсионный анализ данных по двухфакторной схеме показал, что доля влияния освоения на численность конидий составила 44%. Повышенная засоленность почв агроценозов была характерна для всех типов почв. Это свидетельствовало, в первую очередь, о несбалансированности севооборотов, их чрезмерной насыщенности злаковыми культурами. Кондуктивные почвы продлевают выживаемость структур фитопатогенов и способствуют их размножению [1, 19]. Существенную роль в заселении освоенных почв фитопатогенами играют также злаковые сорняки — резерваторы возбудителей корневых гнилей [19, 22].
Таблица 1. Влияние освоения и типа почвы на заселенность фитопатогенными грибами
Грибы рода Fusarium как естественные обитатели почвы относительно равномерно заселяли целинные и окультуренные участки, полученные различия (9-14%) статистически были недостоверными. Существенно более низкая заселенность фузариевыми грибами (в 2-2,5 раза) выявлена в целинном черноземе южном по сравнению с черноземом выщелоченным и серой лесной почвой (рис. 1).
Освоенный чернозем южный был заселен фузариевыми грибами в 1,5 раза больше целинного, что связано с его пониженной супрессивностью. На заселенность почв Fusarium spp., согласно дисперсионному анализу, решающее влияние оказал тип почвы — 70%. Заселенность фитопатогенами была тесно связана с показателем супрессивности почвы (табл. 2).
Таблица 2. Влияние освоения и типа почвы на супрессивность к фитопатогенам, %
Супрессивность целинных почв к B. sorokiniana была выше у выщелоченного чернозема и серой лесной почвы в сравнении с черноземом южным на 25%. В почвах агроценозов она снижалась до 37% (рис. 2).
Супрессивность целинных и освоенных почв к фузариевым грибам была достоверно меньше, чем к B. sorokiniana, разница между вариантами достигала 2,5 раза. Это объясняется высокой конкурентной способностью фузариевых грибов и их повышенной адаптацией к длительному выживанию в почве (рис. 3). На супрессивность почвы по отношению к B. sorokiniana решающее влияние оказал тип почвы — 61%, влияние антропогенной трансформации почв оценено в 22% и было статистически значимым.
На супрессивность почв к Fusarium sporotrichioides влияние типа почвы и ее освоения составило 30 и 25% соответственно. На супрессивность почвы к F. oxysporum решающее влияние оказал тип почвы — 38%, ее освоение на этот показатель не повлияло.
Биотические механизмы супрессивности основных типов зональных почв.
С целью изучения биотических механизмов супрессивности определена общая микробиологическая активность почвы по численности микроорганизмов олигонитрофилов на почвенном агаре (ПА) согласно МУК 4.2.1018-01 (Методы микробиологического контроля почвы. Методические рекомендации, No ФЦ/4022-2004). Численность почвенных грибов определяли на агаре Чапека, активность дыхания почвы — по суточному выделению CO₂ адсорбционным методом (табл. 3). Данные свидетельствовали, что общая численность микроорганизмов достоверно не зависела от использования почвы. Различия были незначительными и каких-либо закономерностей выявить не удалось. Достоверно более низкая численность олигонитрофилов отмечена на черноземе южном в сравнении с черноземом выщелоченным и серой лесной почвой. Доля влияния типа почвы на общую численность микроорганизмов составила 22%.
Таблица 3. Влияние освоения и типа почвы на численность микроорганизмов и эмиссию CO₂
Что касается численности почвенных грибов, то она была достоверно меньше на освоенном выщелоченном черноземе и серой лесной почве в сравнении с целинными аналогами. Для южного чернозема достоверные различия не выявлены, численность грибов статистически не различалась в почвах агроценозов и целинных участков. Доля влияния типа почвы на численность грибов была равна 24%.
Эмиссия CO₂, отражающая общую биологическую активность почвы, была достоверно меньше на освоенных почвах всех 3-х типов, существенные различия составили 21-27%. Статистический анализ показал, что доля влияния фактора освоения почвы на активность ее дыхания соответствовала 31%. Самая низкая активность дыхания отмечена у минимально супрессивного чернозема южного. Коэффициент корреляции супрессивности почвы к B. sorokiniana и активности дыхания составил r = 0,72 ± 0,17, что свидетельствовало о значимости антагонистической микробобиоты ПЭ в подавлении паразитической активности фитопатогена.
Изучение абиотической супрессивности почвы.
Для объяснения механизмов супрессивности естественной (целинной) почвы оценивали вклад абиотического компонента в общее подавление паразитической активности фитопатогенов (табл. 4). Установлено, что в отношении B. sorokiniana для всех типов почв главной составляющей супрессивности был биотический компонент — от 54 до 65%. В отношении F. sporotrichioides доля этого фактора была меньше — от 5 (серая лесная почва) до 54% (чернозем южный).
Таблица 4. Абиотическая супрессивность почвы разных типов, %
Супрессивность ПЭ к F. oxysporum определялась только микроорганизмами, поскольку прогрев почвы до 150 °C привел к потере супрессивности всеми почвами. Эти данные подчеркивали значимость сапротрофных антагонистических микроорганизмов в подавлении фитопатогенов. Они объясняют повсеместную высокую распространенность F. oxysporum, обусловленную низкой биотической супрессивностью почв из-за ограниченного поступления растительных остатков и иной органики.
Индукция супрессивности почвы (на примере чернозема выщелоченного).
Результаты оценки влияния агротехнологических приемов на супрессивность почвы и деградацию конидий возбудителя обыкновенной корневой гнили яровой пшеницы представлены в табл. 5.
Таблица 5. Влияние агротехнологических приемов на супрессивность почвы к Bipolaris sorokiniana, отклонение от контроля, %
Супрессивность контрольной почвы к B. sorokiniana оценена в 27%. Данные табл. 5 свидетельствуют о том, что все испытанные приемы (исключая нитратное и полное минеральное удобрение) оказали стимулирующее действие на супрессивность выщелоченного чернозема и антигрибное действие к B. sorokiniana. Особенно сильной была индукция супрессивности к B. sorokiniana в вариантах с перегноем, сидератами, а также с пшеничной соломой, внесенной совместно с суспензией штаммов Pseudomonas fluorescens или с перегноем (рис. 4).
Во всех опытных вариантах деградация конидий B. sorokiniana в конце эксперимента была близка к 100% и статистически отличалась от контроля (69%), рис. 5.
Влияние технологических приемов на супрессивность почвы к грибам рода Fusarium (табл. 6) свидетельствовало о видовой специфичности этого явления. Супрессивность контрольной почвы к F. oxysporum составила 60%, к F. sporotrichioides — 43%. Индукция биотической супрессивности агротехнологическими приемами оказалась более значительной (в среднем на 11%) по отношению к F. oxysporum, чем к F. sporotrichioides. Особенно сильные видовые различия фузариевых грибов отмечены в вариантах с минеральными удобрениями (на 31-69%). Это подтвердили данные табл. 4, свидетельствующие о преимущественно биотическом механизме супрессивности почвы к F. oxysporum.
Таблица 6. Влияние технологических приемов на супрессивность почвы в отношении грибов рода Fusarium, отклонение от контроля, %
Органические и минеральные удобрения способствовали размножению сапротрофной микробобиоты, о чем свидетельствовали полученные данные (табл. 7). Особенно активное размножение бактерий-олигонитрофилов отмечено в вариантах с полным минеральным удобрением и горохово-овсяным сидератом. Эти показатели в этом случае были превышены более чем в 2,5 раза по сравнению с контролем (36.0 КОЕ/г ∙10^4). Численность актиномицетов в вариантах с полным удобрением и овсяным сидератом увеличилась еще больше — в 5 и 9 раз в сравнении с контролем (3 КОЕ/г ∙10^4).
Таблица 7. Влияние технологических приемов на численность сапротрофных микроорганизмов и эмиссию CO₂, отклонение от контроля
Значительная доля антагонистических видов бактерий и актиномицетов в структуре ПЭ выщелоченного чернозема [19, 28] позволила констатировать, что показатели супрессивности этой почвы, полученные в вегетационном опыте, согласуются с ранее выявленными закономерностями. Коэффициент корреляции супрессивности почвы к F. oxysporum и численности бактерий на ПА составил r = 0,582 ± 0,079, что также подтвердило биотическую природу супрессивности почвы в отношении данного фитопатогена.
Увеличение численности микроорганизмов подтверждено повышением интенсивности почвенного дыхания. Наибольшая активность эмиссии CO₂ отмечена в вариантах с аммонийным азотом, перегноем, овсяным сидератом и пшеничной соломой (с перегноем, нитратным азотом или суспензией антагонистических бактерий). Злаковая солома без добавок оказалась наименее эффективной из-за ее низкой деградабельности.
Интегральным показателем индукции супрессивности почвы служит развитие корневой гнили. Данные табл. 8 свидетельствуют о важной роли индукции супрессивности почвы в контроле корневых инфекций. Эффективность органических и минеральных удобрений составила в опыте 46-89%, т. е. была весьма существенной. Самая высокая биологическая эффективность (73-89%) отмечена в вариантах с применением аммонийного и полного минерального удобрения, сидератов, зерновой соломы (с перегноем или нитратным азотом). Корреляция численности бактерий на ПА с развитием корневых гнилей составила r = – 0,441 ± 0,091. Коэффициент корреляции развития фитопатогенов с характеристикой супрессивности почвы составил: в отношении B. sorokiniana — r = – 0.551 ± 0,081, F. sporotrichioides — r = – 0,668 ± 0,080, F. oxysporum — r = –0,781 ± 0,057.
Таблица 8. Биологическая эффективность технологических приемов в контроле корневых гнилей
Более тесная отрицательная связь развития корневой гнили с характеристикой супрессивности почвы в отношении фузариевых грибов полностью согласовалась с этиологией корневых гнилей, вызванных на 7-33% B. sorokiniana и на 67-93% грибами рода Fusarium (рис. 6-8). Данные свидетельствовали об оздоравливающем действии овсяного сидерата и перегноя на корневые системы яровой пшеницы в сравнении с контролем. Часть корней оказалась полностью свободной от фитопатогенов, отмечено ограничение роста грибов. Биологическая эффективность пшеничной соломы в качестве индуктора супрессивности оказалась существенно меньше.
Выводы
Полный список.