Mode of action of bacteria bacillus subtilis № 2 and humic preparation on fruit formation in sweet pepper

Cover Page

Abstract


The effectivity of action of bacteria Bacillus subtilis № 2 and humic preparation Stimulife on yield and fruit formation in sweet pepper (Capsicum annuum L.) in technologies of separated and joint use was studied. It was established that the use of bacteria Bacillus subtilis № 2 led to a decrease in the coefficient of variation in the mass of the leaves of the pepper plants and the coefficient of variation in the masses of the fruits of the plants. The maximum directivity of action of the preparations studied was revealed with the help of graph analysis. The action of bacteria Bacillus subtilis № 2 is directed on increasing the number of leaves of pepper plants, HP Stimulife - on reducing the vegetative period of plants, and joint application – on increasing the number of fruits on a single plant. In factor analysis, it was shown that a negative synergistic effect appeared with respect to chlorophyll (а+b) and the duration of the growth stages when Bacillus subtilis № 2 and HP Stimulife were combined used. The variety differences in the reactions of pepper plants to the preparations used were revealed.


Full Text

Интерес к применению биологических препаратов на основе стимулирующих рост растений бактерий (PGPR) в растениеводстве связан с возможностью повышения эффективности минерального питания растений и сокращения доз минеральных удобрений [1], а также с защитой культур от патогенов [2]. В связи с положительным действием PGPR на урожайность возрастают масштабы их использования в сельском хозяйстве различных стран мира [3-5]. Для повышения эффективности PGPR в последнее время ученые предложили применять их совместно с гуминовым препаратом [5], однако, механизм такого действия на растения изучен недостаточно.

Задачей исследования было изучение механизмов действия PGPR и гуминового препарата на растения при совместном применении для разработки экологически безопасной агротехнологии интенсивного выращивания растений.

Методика. Гуминовый препарат Стимулайф – продукт переработки торфа и природный стимулятор роста растений [6]. Он содержит 70-80% гуминовых кислот, 1-2% сухого вещества, 12% общего N, 47% C, 3,5% H, 25-27% O, 0,3%, P2O5,  0,25% K2O, а также ауксины в концентрации 4 мг/л. PGPR-бактерии Bacillus subtilis №2 способны продуцировать до 15 мг ауксинов /л среды при росте на микробиологических средах с 0,2%-ным триптофаном, обладают цитокининовой активностью.

Вегетационные эксперименты с растениями перца сладкого (Capsicum annunm L.) сортов Ермак и Золушка из коллекции ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова проводили в условиях интенсивной светокультуры [7]. В качестве источников света использовали натриевые лампы высокого давления ДНаЗ-400. Интенсивность света в области ФАР составляла 100±10 Вт/м2, продолжительность светового периода – 12 ч/ сутки первые две недели после появления всходов, затем 14 ч/сутки. Температуру воздуха поддерживали в соответствии с биологическими требованиями культур: в период прорастания семян – 25-26°С, затем 24-26°С днем, 18-20°С – ночью. Относительная влажность воздуха составляла 60-70%. Растения выращивали в металлических сосудах объемом 3 л. В качестве корнеобитаемой среды применяли субстрат агрофит, разработанный в Агрофизическом НИИ [8] на основе верхового торфа низкой степени разложения с минеральными добавками, нейтрализованного до рH 6,2-6,4. На 1 м2 вегетационной светоустановки размещали 20 растений в 5-кратной повторности. Подкормку растений осуществляли питательным раствором Кнопа 2 раза в неделю, в остальное время поливали водой. Препаратами обрабатывали листовую поверхность растений в фазы бутонизации и цветения (2 раза в течение вегетационного периода). Схема опыта включала следующие варианты: 1 – контроль без обработки бактериями и гуминовым препаратом, 2 – обработка гуминовым препаратом, 3 – обработка бактериями, 4 – обработка совместно бактериями и гуминовым препаратом. Рабочая концентрация гуминового препарата составляла 0,1%. Стимулайф был простерилизован для удаления автохтонной микрофлоры при стандартном режиме автоклавирования. Бактерии Bacillus subtilis № 2 выращивали на сусло-агаре, затем смывали и гомогенезировали в стерильной воде, их титр для инокуляции растений составлял 4-6·106 КОЕ/мл культуральной жидкости. Численность КОЕ бактерий в филлосфере растений определяли методом посева на твердую питательную среду сусло-агара во время фазы технической спелости растений.

Содержание суммарного хлорофилла (a+b) в листьях определяли в фазе цветения на спектрофотометре Specol [9]. Биохимический состав плодов растений изучали в фазе технической спелости [10]. Простой вегетационный индекс, определяющий физиологическое состояние растений, рассчитывали по формуле VI=Rgreen/Rnir с использованием методики, описанной ранее [11].

 Графы максимальных коэффициентов корреляции между характеристиками растительно-микробной системы были построены по методике граф-анализа [12]. Весовые коэффициенты влияния факторов внешнего воздействия на морфометрические и биохимические характеристики растений и уровень синергетического влияния вычисляли по программе [13].

Результаты и обсуждение. Выявлены физиологические реакции растений на изучаемые препараты. Эти различия обусловлены механизмом их действия.  Бактерии Bacillus subtilis № 2 достоверно увеличивали количество плодов (на 2-4 шт.) на одном растении (табл. 1), что подтверждает данные других исследователей [14]. Увеличение численности плодов объясняется фитогормональной активностью бактерий. В то же время средняя масса одного плода достоверно не изменялась по сравнению с контрольным вариантом (табл. 1). При обработке Стимулайфом прибавка урожайности достигалась в основном за счет увеличения средней массы одного плода, что согласуется с выявленным ранее механизмом ускорения поступления питательных веществ гуминового препарата в растение вследствие повышения проницаемости клеточной мембраны [15]. Количество плодов изменялось незначительно. При использовании Стимулайфа достоверно увеличивались количество сухого вещества, сумма сахаров и значительно – содержание аскорбиновой кислоты в плодах (табл. 1). Совместное применение гуминового препарата и бактерий приводило к росту общего количества сахаров и аскорбиновой кислоты. Значение большинства признаков у двух сортов растений перца существенно различалось, что свидетельствует о неодинаковой их чувствительности и реакции на внешние воздействия; при этом уменьшалась продолжительность вегетационного периода сортов Ермак и Золушка соответственно на 10 и 14 дней. Наибольшее сокращение срока вегетации наблюдали при совместном действии обоих препаратов, более отзывчивым на них оказался сорт Золушка (табл. 1).

При применении бактерий уменьшались коэффициенты вариации индивидуальных масс листьев и плодов растений (рис. 1, 2). Коэффициент корреляции между ними у растений сорта Золушка составил 0,9, так же, как и у сорта Ермак. Таким образом, бактерии Bacillus subtilis № 2 способствовали оптимизации минерального питания и ассимиляционных процессов в растении. Наши данные согласуются с результатами других исследователей об уменьшении коэффициентов вариации площади листовой поверхности растений пшеницы при внесении микроудобрений [16].

Методом факторного анализа определены величины весовых коэффициентов реакции растений на применяемые препараты (табл. 2). Показано, что индивидуальное воздействие бактерий на растения сортов Ермак и Золушка (WA= 0,61, 0,61) приводит к возрастанию коэффициентов основных морфологических характеристик таких, как масса (WA= 0,68, 0,68) и количество листьев (WA= 0,65; 0,66), высота растений (WA= 0,63, 0,69), а также содержание суммы хлорофиллов (WA= 0,63; 0,48). При этом повышается величина вегетационного индекса – от 9 до 10 и от 9,2 до 10,5, а также содержание суммы хлорофиллов в растениях – от 2,3 до 3,0 и от 2,4 до 3,1 мг/г листьев для растений перца соответственно сорта Ермак и сорта Золушка (табл.1). При применении бактерий увеличивалось количество листьев (табл.1).

 

Табл. 1. Изучаемые показатели растений перца в контроле и при обработке препаратами

 

 

Ермак

Золушка

Показатель

    1

    2

   3

   4

   1

   2

   3

    4

Количество плодов, шт./растение

7,8c

7,6c

9,0b

8,8a

10,6с

10,6c

12,8b

14,8a

Средняя масса плодов, г/растение

308d

320c

345b

353a

360d

438c

606b

636a

Средняя масса 1 плода, г

38,5b

40,0a

38,3b

39,9a

32,7d

41,3c

43,3b

45,4a

Масса листьев, г/растение

85b

88b

93a

96a

159c

163c

178b

185a

Количество листьев /растение

42c

43c

45b

47a

74b

74b

76a

77a

Сумма хлорофиллов, мг/г листьев

2,3c

2,6b

3,0a

3,0a

2,4b

3,0a

3,1a

3,1a

VI = Rgreen/Rnir

9,0c

9,2c

9,5b

10a

9,2c

9,6b

9,8b

10,5a

Высота растений, см

27,7d

28,5c

30,3b

32,7a

49,0d

49,7с

68,3b

74,3a

Длина фенофазы, сут

97a

92b

89c

87d

125a

117b

114c

111d

Сумма углеводов в плодах,%

5,2c

5,6b

5,8b

7,1a

5,5c

5,6c

5,8b

6,5a

Аскорбиновая кислота, мг/100 г сырого вещества плодов

71c

72c

75b

90a

59d

63c

70b

79a

Сухое вещество в плодах,%

8,3b

9,0a

8,6c

9,0a

8c

8,3b

8,6a

8,6a

Примечание. 1-4 – варианты опыта. В каждой строке достоверные различия средних измеряемых признаков обозначены  буквами алфавита для p<0,05.

 

Табл. 2. Весовые коэффициенты к факторам: Bacillus subtilis № 2 (WA), Стимулайф (WB), Bacillus subtilis № 2+ Стимулайф  (WAxB)

Показатель

WА

WB

 WAxB

Ермак

Золушка

Ермак

Золушка

Ермак

Золушка

Количество плодов, шт./растение

0,65

0,61

0,24

0,34

0,23

0,16

Средняя масса плодов, г/растение

0,68

0,68

0,19

0,16

-0,06*

-0,10

Масса листьев, г/растение

0,66

0,68

0,26

0,20

-0,03*

0,06*

Количество листьев /растение

0,65

0,66

0,27

0,24

0,05*

0,11*

Сумма хлорофиллов, мг/г листьев

0,63

0,48

0,25

0,38

-0,28

-0,50

VI= Rnir/Rgreen

0,61

0,56

0,33

0,41

0,20

0,16

Высота растений, см

0,63

0,69

0,29

0,11

0,21

0,12

Длительность вегетации, сут

-0,60

-0,57

-0,33

-0,38

0,23

0,24

Сумма углеводов в сыром веществе плодов

0,52

0,51

0,42

0,40

0,32

0,40

Аскорбиновая кислота, мг/100 г сырого вещества плодов

0,50

0,62

0,39

0,31

0,45

0,18

Среднее значение абсолютной величины коэффициентов

0,61

0,61

0,30

0,29

0,20

0,20

Примечание. Стандартная ошибка для коэффициентов WА и WВ – 0,03, WАхВ – 0,06.

*Коэффициент не отличается от нуля.

 

Возрастание биомассы листьев и содержания суммы хлорофиллов в них привело к формированию большей продуктивности растений – достоверному повышению количества плодов на растении и урожайности перца. Аналогичные результаты мы получили ранее для растений томата [17]. Бактерии Bacillus subtilis № 2 также сокращали длительность вегетационного периода растений сортов Ермак и Золушка (WA=-0,61 и -0,67). С помощью факторного анализа выявлен негативный синергетический эффект совместного применения Стимулайфа и бактерий, то есть  уменьшение данного периода оказывается меньше ожидаемого от суммы индивидуальных воздействий бактерий и гуминового препарата. Это означает, что физиологические процессы в растениях под действием двух препаратов на некоторой стадии конкурируют между собой.

При совместном применении препаратов отмечено уменьшение численности бактерий Bacillus subtilis № 2 в филлосфере (3,2·104 КОЕ) в 5,6 раза по сравнению с их индивидуальным внесением (5,7·103 КОЕ). Этот результат согласуется с ранее полученным на растениях салата и с рекомендациями о снижении концентрации гуминового препарата при совместном применении с бактериями Bacillus subtilis № 2 [11].

Граф-анализ (рис. 3) позволил получить схему причинно-следственных связей в растительно-микробной системе при действии изучаемых препаратов на морфометрические характеристики растений и продолжительность периода их вегетации. Так, бактерии Bacillus subtilis № 2 непосредственно влияли на увеличение массы листьев растений. Действие же Стимулайфа было направлено на ускорение физиологических процессов развития растений и сокращение продолжительности вегетационного периода. При совместном действии препаратов повышалась численность плодов на растении.

 

Рис. 1. Плотность распределения масс листьев и плодов растения сорта Ермак в вариантах: К – контроль, С – Стимулайф, Б – Bacillus subtilis № 2, С+Б – Стимулайф + Bacillus subtilis № 2.

 

Рис. 2. Плотность распределения массы листьев и плодов растения сорта Золушка в вариантах: К – контроль, С – Стимулайф, Б – Bacillus subtilis № 2, С+Б – Стимулайф + Bacillus subtilis № 2.

 

Рис. 3. Граф непосредственных связей между измеряемыми характеристиками растений и действием препаратов. З – сорт Золушка; Е – сорт Ермак; 1 – количество плодов, шт./растение; 2 – масса плодов, г/растение; 3 – масса листьев, г/растение; 4 – количество листьев, шт./растение; 5 – сумма хлорофиллов, мг/г листьев; 6 – высота растений, см; 7 – длительность вегетационного периода, сут; 8 – Стимулайф; 9 – Bacillus subtilis № 2; 10 – Стимулайф + Bacillus subtilis № 2.

 

Таким образом,  выявлен комплекс физиологических ответов растений перца на морфологическом уровне на действие бактерий Bacillus subtilis № 2 и гуминового препарата Стимулайф.

About the authors

V. N. Pishchik

Agrophysical Research Institute; Scientific Institution All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology

Author for correspondence.
Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, 196600, Sankt-Peterburg, Grazhdanskiy pr., 14; Sankt.-Petersburg, Pushkin, 196608, sh. Podbelsky, 3

candidate of biological sciences

N. I. Vorobyov

Scientific Institution All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, Sankt.-Petersburg, Pushkin, 196608, sh. Podbelsky, 3

candidate of technical sciences

O. R. Udalova

Agrophysical Research Institute

Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, 196600, Sankt-Peterburg, Grazhdanskiy pr., 14

candidate of agricultureal sciences

V. G. Surin

Center for Interdisciplinary Research on Environmental Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, Sankt. Petersburg, nab. Kutuzovat, 14

candidate of physics-mathematical sciences

Yu. V. Khomyakov

Agrophysical Research Institute

Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, 196600, Sankt-Peterburg, Grazhdanskiy pr., 14

candidate of biological sciences

A. A. Popov

Center for Interdisciplinary Research on Environmental Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: veronika-bio@rambler.ru

Russian Federation, Sankt. Petersburg, nab. Kutuzovat, 14

candidate of agricultural sciences

References

  1. Завалин А.А. Биопрепараты, удобрения и урожай. − М.: ВНИИА, 2005. − 302 с.
  2. Ahemad M., Kibret M. Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria: Current perspective. // J. King Saud Uni. Sci. − 2014. − V. 26. – P. 1-20.
  3. Чеботарь В.К., Петров В.Б., Шапошников А.И., Кравченко Л.В. Биохимические критерии оценки агрономически значимых свойств бацилл, используемых при создании микробиологических препаратов. // Сельскохозяйственная биология. – 2011. − № 3. − С. 119-122.
  4. Кожемяков А.П., Белоброва С.Н., Орлова А.Г. Создание и анализ базы данных по эффективности микробных препаратов комплексного действия. // Сельскохозяйственная биология. − 2011. − № 3. − С. 112-115.
  5. Ruzzi M., Aroca R. Plant growth-promoting rhizobacteria act as biostimulants in horticulture. // Sciencia Horticulturae − V.196. – P. 124-134.
  6. http://www.agrophys.com/Agrophys_files/Stimullife/stimullife.html.
  7. Панова Г.Г., Черноусов И.Н., Удалова О.Р., Александров А.В., Карманов И.В., Аникина Л.М., Судаков В.Л. Научно-технические основы круглогодичного получения высоких урожаев качественной растительной продукции при искусственном освещении. // Доклады Россельхозакадемии. – 2015. − №4. − С. 17-21.
  8. Ермаков Е.И., Желтов Ю.И., Мильто Н.Е., Кучеров В.И. Почвогрунт для выращивания растений «Агрофит» // Патент №2081555 РФ. − БИ №17. − 1997.
  9. Lichtenthaler H.G.. Chlorophylls and carotenoids pigments of photosynthetic biomembranes // Methods Enzymol. – 1987. – V.148. –350-382.
  10. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического анализа растений. – Л.: Агропромиздат, 3-е изд., 1987. – 430 C.
  11. Pishchik V.N., Vorobyov N.I., Walsh O.S., Surin V.G., Khomyakov Y.V. Estimation of synergistic effect of humic fertilizer and Bacillus subtilis on lettuce plants by reflectance measurements // Journal of Plant Nutrition. – 2016. – V.39. – №8. –. Р. 1074-1086.
  12. Воробьев Н.И., Свиридова О.В., Кутузова Р.С. Методические рекомендации по использованию граф-анализа в исследованиях систем, состоящих из биотических и абиотических компонентов. – СПб.: ВНИИСХМ, 2006. – 58 C.
  13. Воробьев Н.И., Проворов Н.А., Пищик В.Н., Свиридова О.В. Программа вычисления уровня синергизма – супрессии в ответной реакции биологических объектов на двухфакторное воздействие // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016618107. – Регистрация в Реестре программ для ЭВМ 21.07, 2016.
  14. Garcia J.A.I., Probanza A., Ramos B., Palomino M.R., Manero F.J.G. Effect of inoculation of Bacillus lichenoformis on tomato and pepper // Agronomie. – 2004. – V.24. – №4. – P.169-176.
  15. Varanini Z, Pinton R. Direct versus indirect effects of soil humic substances on plant growth and nutrition / Pinton R, Varanini Z, Nannipieri P, eds. // In: The Rizosphere. Basel: Marcel Dekker. – 2001. – P. 141-58.
  16. Прохоренко Н.Б., Пахомова В.М., Хабиров Р.Н., Даньшина Е.В. Морфологические параметры и урожайность у растений яровой пшеницы сорта Люба при оптимизации минерального питания // Сельскохозяйственная биология. – 2008. – № 5. – C. 43-47.
  17. Pishchik V.N., Vorobyev N.I. , Ostankova Yu.V., Semenov A.V., Totolian Areg A., Popov A.A., Khomyakov Y.V. , Udalova O.R., Shibanov D.V., Vertebny V.E., Dubovitskaya V.I., Sviridova O.V., Walsh O.S., Shafian S. Impact of Bacillus subtilis on tomato plants growth and some biochemical characteristics under combined application with humic fertilizer. // International Journal of Plant & Soil Science. – 2018. – V.22. – P.1-12.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. The mass distribution density of leaves and fruits of the Ermak plant variety in the variants: K - control, C - Stimulyf, B - Bacillus subtilis No. 2, C + B - Stimulus + Bacillus subtilis No. 2.

Download (578KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. Density of mass distribution of leaves and fruits of the Cinderella variety plant in variants: C - control, C - Stimulife, B - Bacillus subtilis No. 2, C + B - Stimulus + Bacillus subtilis No. 2.

Download (560KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. The graph of direct connections between the measured characteristics of plants and the action of drugs. H - Cinderella variety; E - grade Ermak; 1 - the number of fruits, pieces / plant; 2 - the mass of fruits, g / plant; 3 - leaf mass, g / plant; 4 - the number of leaves, pieces / plant; 5 - the amount of chlorophylls, mg / g of leaves; 6 - height of plants, cm; 7 - the length of the growing season, days; 8 - Stimulyf; 9 - Bacillus subtilis No. 2; 10 - Stimulyf + Bacillus subtilis No. 2.

Download (142KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 123

PDF (Russian) - 80

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies