Дослідження бобово-ризобіального симбіозу сої для стійкості агроекосистем
Анотація
Дослідження інноваційних методів регуляції бобово-ризобіального симбіозу є важливим для покращення азотфіксації, що сприяє збереженню здоров›я ґрунтів та підвищенню врожайності. Це забезпечує стале сільське господарство, знижуючи потребу в хімічних добривах і підвищуючи стійкість агроекосистем. Метою роботи було з’ясувати вплив інокуляції насіння, екологічних умов і сортових особливостей сортів сої на накопичення біологічного азоту. Дослідження проводили у екологічних умовах Київської, Полтавської та Вінницької областей протягом 2010-2021 рр. Агротехніка вирощування сортів сої була загальноприйнята для умов регіонів дослідження. Наведено результати досліджень впливу інокуляції насіння на динаміку формування та продуктивність соєво-ризобіального симбіозу за наявності в ґрунті фонових популяцій ризобій сої. Визначено азотфіксувальний потенціал сортів сої за дії інокуляції. Інокуляція підвищує ефективність симбіотичної системи сої. Доведено, що в різних екологічних умовах інокуляція насіння Bradyrhizobium japonicum покращує формування і функціонування симбіотичного апарату сої навіть на фоні ґрунтової популяції бульбочкових бактерій. Дія інокуляції насіння залежить від гідротермічного режиму року, екологічних умов і сорту сої. Застосування інокуляції насіння сприяє формуванню більшої маси активних бульбочок на коренях рослин, що позитивно вплинуло на азотфіксацію. Найвищі показники азотфіксації встановлено у сортів сої Аметист, Артеміда і Говерла у різних екологічних умовах. Інокуляція насіння забезпечила збільшення кількості біологічного азоту цих сортів на 33.9-36.1 кг/га. Сорти сої Аметист, Артеміда і Говерла відзначилися вищою реакцією на інокуляцію насіння азотфіксувальними бактеріями і рекомендуються для вирощування у різних екологічних умовах. Інноваційні рішення підвищення ефективності функціонування бобово-ризобіального симбіозу сої за використання біологічних препаратів на основі азотфіксувальних бактерій дозволять розробити біологізовані технології вирощування культури для стійкості агроекосистем
Ключові слова
кількість і маса бульбочок; азотфіксація; симбіотичний потенціал; інокуляція; гідротермічний коефіцієнт; ризобії; біологічно-фіксований азот
[1] Abd-Alla, M.H., Al-Amri, S.M., & El-Enany, A.-W.E. (2023). Enhancing Rhizobium – legume symbiosis and reducing nitrogen fertilizer use are potential options for mitigating climate change. Agriculture, 13(11), article number 2092. doi: 10.3390/agriculture13112092.
[2] Beruk, H., Yoseph, T., & Ayalew, T. (2024). Unlocking the potential of inoculation with Bradyrhizobium for enhanced growth and symbiotic responses in soybean varieties under controlled conditions. Agronomy, 14(6), article number 1280. doi: 10.3390/agronomy14061280.
[3] Cigelske, B., Kandel, H., & DeSutter, T. (2020). Soybean nodulation and plant response to nitrogen and sulfur fertilization in the Northern US. Agricultural Sciences, 11, 592-607. doi: 10.4236/as.2020.116037.
[4] Coba de la Pena, T., Fedorova, E., Pueyo, J.J., & Lucas, M.M. (2018). The symbiosome: Legume and rhizobia coevolution toward a nitrogen-fixing organelle? Frontiers in Plant Science, 8, article number 2229. doi: 10.3389/ fpls.2017.02229.
[5] Convention on Biological Diversity. (1992, June). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/ show/995_030#Text.
[6] Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora. (1979, June). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_129#Text.
[7] Getachew Gebrehana, Z., & Abeble Dagnaw, L. (2020). Response of soybean to Rhizobial inoculation and starter N fertilizer on Nitisols of Assosa and Begi areas, Western Ethiopia. Environmental Systems Research, 9, article number 14. doi: 10.1186/s40068-020-00174-5.
[8] Gitonga, N.M., Njeru, E.M., Cheruiyot, R., Maingi, J.M., & Tejada Moral, M. (2021). Bradyrhizobium inoculation has a greater effect on soybean growth, production and yield quality in organic than conventional farming systems. Cogent Food & Agriculture, 7(1), article number 1935529. doi: 10.1080/23311932.2021.1935529.
[9] Hawkins, J., & Oresnik, I. (2021). The Rhizobium-legume symbiosis: Co-opting successful stress management. Frontiers Plant Sciences, 12, article number 796045. doi: 10.3389/fpls.2021.796045.
[10] Kebede, E. (2021). Contribution, utilization, and improvement of legumes-driven biological nitrogen fixation in agricultural systems. Frontiers in Sustainable Food Systems, 5, article number 767998. doi: 10.3389/ fsufs.2021.767998.
[11] Korobko, A., Kravets, R., Mazur, O., Mazur, O., & Shevchenko, N. (2024). Nitrogen-fixing capacity of soybean varieties depending on seed inoculation and foliar fertilization with biopreparations. Journal of Ecological Engineering, 25(4), 23-37. doi: 10.12911/22998993/183497.
[12] Kots, S.Ya. (2021). Biological nitrogen fixation: achievements and prospects. Plant Physiology and Genetics, 53(2), 128-159. doi: 10.15407/frg2021.02.128.
[13] Krutylo, D. (2023). Symbiotic interaction between a mixture of Bradyrhizobium japonicum strains and different soybean cultivars. Agricultural Science and Practice, 9(3), 36-48. doi: 10.15407/agrisp9.03.036.
[14] Krutylo, D., Leonova, N., & Nadkernychna, O. (2021). Characterization of bradyrhizobia associated with soybean plants grown in Ukraine. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences, 9(5), 983-987. doi: 10.15414/ jmbfs.2020.9.5.983-987.
[15] Langyan, S., Yadava, P., Khan, F.N., Dar, Z.A., Singh, R., & Kumar, A. (2022). Sustaining protein nutrition through plant-based foods. Frontiers in Nutrition, 8, article number 772573. doi: 10.3389/fnut.2021.772573.
[16] Mamenko, T.P. (2021). Regulation of legume-rhizobial symbiosis: Molecular genetic aspects and participation of reactive oxygen species. Cytology and Genetics, 55, 447-459. doi: 10.3103/S0095452721050078.
[17] Mazur, O., Tkachuk, O., Mazur, O., Voloshyna, O., Tunko, V., & Yakovets, L. (2024). Formation of yield and grain quality of spring barley depending on fertiliser optimisation. Ecological Engineering & Environmental Technology, 25(4), 282-291. doi: 10.12912/27197050/183939.
[18] McCormick, S. (2018). Rhizobial strain-dependent restriction of nitrogen fixation in a legume-Rhizobium symbiosis. The Plant Journal, 93(1), 3-4. doi: 10.1111/tpj.13791.
[19] Mendoza-Suárez, M.A., Geddes, B.A., Sánchez-Cañizares, C., Ramírez-González, R.H., Kirchhelle, C., Jorrin, B., & Poole, P.S. (2020). Optimising Rhizobium-legume symbioses by simultaneous measurement of rhizobial competitiveness and N2 fixation in nodules. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 117(18), 9822-9831. doi: 10.1073/pnas.1921225117.
[20] Miljaković, D., Marinković, J., Ignjatov, M., Milošević, D., Nikolić, Z., Tintor, B., & Đukić, V. (2022). Competitiveness of Bradyrhizobium japonicum inoculation strain for soybean nodule occupancy. Plant, Soil and Environment, 68, 59-64. doi: 10.17221/430/2021-PSE.
[21] Nakei, M.D., Venkataramana, P.B., & Ndakidemi, P.A. (2022). Soybean-nodulating Rhizobia: Ecology, characterization, diversity and, plant growth promoting functions. Frontiers in Sustainable Food Systems, 6, article number 824444. doi: 10.3389/fsufs.2022.824444.
[22] Nyzhnyk, T., & Kots, S. (2023). Key role of phenol enzymes metabolism in the legume -rhizobial symbiosis under different water supply regimes. Biosystems Diversity, 31(3), 305-312. doi: 10.15421/012335.
[23] Omari, R.A., Yuan, K., Anh, K.T., Reckling, M., Halwani, M., Egamberdieva, D., Ohkama-Ohtsu, N., & BellingrathKimura, S.D. (2022). Enhanced soybean productivity by inoculation with indigenous bradyrhizobium strains in agroecological conditions of northeast Germany. Frontiers in Plant Science, 12, article number 707080. doi: 10.3389/fpls.2021.707080.
[24] Panchyshyn, V., Moisiienko, V., Kotelnytska, A., Tymoshchuk, T., & Stotska, S. (2023). Formation of narrowleaved lupine productivity depending on seed inoculation and fertilization. Scientific Horizons, 26(1), 31-42. doi: 10.48077/scihor.26(1).2023.31-42.
[25] Roy Choudhury, S., Johns, S.M., & Pandey, S. (2019). A convenient, soil-free method for the production of root nodules in soybean to study the effects of exogenous additives. Plant Direct, 3(4), article number e00135. doi: 10.1002/pld3.135.
[26] Savala, C.E.N., Wiredu, A.N., Chikoye, D., & Kyei-Boahen, S. (2022). Prospects and potential of Bradyrhizobium diazoefficiens based bio-inoculants on soybean production in different agro-ecologies of Mozambique. Frontiers in Sustainable Food Systems, 6, article number 908231. doi: 10.3389/fsufs.2022.908231.
[27] Sinclai, T.R., & Nogueira, M. A. (2018). Selection of host-plant genotype: The next step to increase grain legume N2 fixation activity. Journal of Experimental Botany, 69(15), 3523-3530. doi: 10.1093/jxb/ery115.
[28] Soumare, A., Diedhiou, A.G., Thuita, M., Hafidi, M., Ouhdouch, Y., Gopalakrishnan, S., & Kouisni, L. (2020). Exploiting biological nitrogen fixation: A route towards a sustainable agriculture. Plants, 9(8), article number 1011. doi: 10.3390/plants9081011.
[29] Sousa, W., Soratto, P., Peixoto, D., Campos, T.S., da Silva, M.B., Vaz Souza, A.G., Teixeira, I.R., & Gitari, H.I. (2022). Effects of Rhizobium inoculum compared with mineral nitrogen fertilizer on nodulation and seed yield of common bean. A meta-analysis. Agronomy for Sustainable Development, 42(2), article number 52. doi: 10.1007/ s13593-022-00784-6.
[30] Szpunar-Krok, E., Bobrecka-Jamro, D., Pikuła, W., & Jańczak-Pieniążek, M. (2023). Effect of nitrogen fertilization and inoculation with Bradyrhizobium japonicum on nodulation and yielding of soybean. Agronomy, 13, article number 1341. doi: 10.3390/agronomy13051341.
[31] Vasconcelos, M.W., et al. (2020). The biology of legumes and their agronomic, economic, and social impact. In M. Hasanuzzaman, S. Araújo & S. Gill (Eds.), The plant family Fabaceae (pp. 3-25). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-15-4752-2_1.