Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ ЮЖНЫХ РЕГИОНОВ РОССИИ

Изобретение относится к биотехнологии, микробиологии и сельскому хозяйству и может быть использовано при выращивании озимой пшеницы в условиях южных регионов России на недостаточно увлажненных почвах.

Известно, что для повышения урожайности и качества выращиваемых сельскохозяйственных культур необходимо применять большие дозы минеральных удобрений, поскольку агрохимические свойства используемых земель отличаются несбалансированным составом макроэлементов и невысоким содержанием их главных компонентов: азота и фосфора. Однако внесение высоких доз минеральных удобрений, особенно в условиях экстенсивного сельскохозяйственного производства и преобладании монокультуры, приводит к нежелательным эффектам, в частности загрязнению окружающей среды. В связи с этим возникает проблема их частичной замены альтернативными приемами, основанными на природных процессах самовозобновления.

Одним из таких экологически безопасных и ресурсосберегающих элементов функционирования и устойчивого развития агроэкосистем является введение в современные технологии выращивания сельскохозяйственных культур микробных препаратов: как удобрительных, так и для защиты растений. В настоящее время известно достаточно большое количество биопрепаратов на основе микроорганизмов, способствующих улучшению минерального питания растений и стимуляции их роста. В основе действия всех известных биопрепаратов лежат существующие в природе естественные явления азотфиксации и фосфатмобилизации, характерные для эпифитных и почвенных микроорганизмов. Наиболее распространенные в настоящее время микробные препараты (на основе азотфиксирующих микроорганизмов) способствуют существенному повышению продуктивности многих сельскохозяйственных культур: прибавка урожайности зерновых составляет в среднем 15-20%, а овощных - 20-30% (Завалин А.А., Кожемяков А.П. Новые технологии производства и применение биопрепаратов комплексного действия / СПб: ХИМИЗДАТ, 2010, 64 с.). Однако наряду с азотом не менее важным макроэлементом является фосфор.

Широкое применение биопрепаратов для интенсификации сельского хозяйства имеет не только экологический, но и экономический приоритет. Роль биологизации в технологиях выращивания сельскохозяйственных культур значительно возрастает в более сложных почвенно-климатических и погодных условиях. Исходя из вышесказанного, разработка экологически безопасных биологических способов выращивания растений с применением фосфатмобилизующих бактерий для улучшения минерального питания растений, их продуктивности и повышения качества получаемой продукции на почвах с недостаточным увлажнением является актуальной задачей.

В настоящее время известен ряд экологических способов повышения продуктивности и качества урожая зерновых культур. Так, предложен способ повышения качества зерна пшеницы, который предусматривает совместное применение микроудобрения «МЭРС» и минеральной воды «Серноводская» для предпосевной обработки семян и последующего опрыскивания посевов озимой пшеницы. Способ позволяет повысить урожай, повысить качество и снизить затраты на производство зерна, увеличивается содержание белка в зерне и содержание гумуса в выщелоченном черноземе (Патент RU №2587550 С1; МПК А01С 21/00; опубл. 20.06.2016, бюл. №17). Однако применение минеральной воды «Серноводская» в технологии выращивания озимой пшеницы целесообразно на ограниченных территориях (с экономической точки зрения).

Известен способ выращивания растений на обедненных азотом и микроэлементами почвах, включающий предпосевную обработку семян и/или вегетирующих растений биопрепаратом Бинорам при выращивании зерновых, бобовых и овощных культур. Биопрепарат Бинорам содержит смесь суспензий штаммов бактерий Pseudomonas sp.: 7Г, 7Г2К, и 17-2, выделенных из ризосферы дикорастущих злаков. Изобретение позволяет улучшить минеральное питание растений и обеспечить сбалансированный состав микроэлементов в конечной продукции (Патент RU №2403718 С1; МПК A01N 63/00; опубл. 20.11.2010, бюл. №32). Однако испытание предложенного способа проведено в одном из регионов Сибири (Кемерово), к тому же не исследовано влияния биопрепарата Бинорам на качественный и количественный состав аминокислот в конечной продукции.

Известен также способ предпосевной обработки семян яровых зерновых культур, включающий обработку семян, по крайней мере, одной микробной культурой. В качестве микробной культуры используют: Pseudomonas sp., Bacillus sp.и фосфатмобилизующие бактерии, выделенные из копролитов дождевых червей. Способ позволяет снизить пораженность яровых зерновых культур возбудителями корневых гнилей с последующим увеличением урожайности и повышением качества зерна (Патент RU №2655789 С1; МПК A01N 63/02; опубл. 29.05.2018, бюл. №16). Испытание известного способа проведено в одном из регионов Сибири (Лучановский полевой стационар СибНИИСХиТ, Томская обл.). Не исследовано также влияние предлагаемых микробных культур на состав аминокислот в конечной продукции.

Известен фосфатмобилизующий штамм почвенных бактерий Lelliottia nimipressuralis ВКПМ В-12783 и биопрепарат на его основе, обеспечивающий при инокуляции семян улучшение роста и развития растений, а также повышение их урожайности (Пат. RU №2676926 С1; МПК C12N 1/20, A01N 63/02, C12R 1/01; опубл. 11.01.2019, бюл. №2). Однако в известном изобретении не была разработана концепция совместного применения микробного препарата и минеральных удобрений и не проведены исследования по изучению их воздействия на качество зерна пшеницы, а именно - определение содержания клейковины и белка, а также количественного и качественного состава аминокислот.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача разработки способа выращивания озимой пшеницы, способствующего снижению дозы применения минеральных удобрений, увеличению урожайности и повышению качества зерна в почвенно-климатических условиях юга России на почвах с недостаточным увлажнением.

Решение поставленной задачи достигается способом выращивания озимой пшеницы, включающим предпосевную обработку семян биопрепаратом на основе фосфатмобилизующего штамма почвенных бактерий Lelliottia nimipressuralis ВКПМ В-12783, в котором согласно изобретению одновременно с посевом в почву вносят полное минеральное удобрение из расчета Р₃₀, а обработку семян проводят раствором биопрепарата с титром 1,0-2,0×10¹⁰ кл/мл в дозе 2% суспензии от массы семян.

Используемый для приготовления биопрепарата штамм Lelliottia nimipressuralis ВКПМ В-12783 выделен из природной популяции ризосферных микроорганизмов чернозема южного карбонатного (степная центральная часть Крыма). Установлена способность штамма L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 к трансформации труднорастворимых минеральных фосфатов в доступную для растений форму, а также продуцированию фитогормонов: ауксинов, цитокининов и гибберрелинов.

Определяющим отличием заявляемого способа от прототипа является использование биопрепарата на основе штамма L. nimipressuralis ВКПМ В-12783, представляющего собой суспензию с титром 1,0-2,0×10¹⁰ кл/мл, для предпосевной обработки семян озимой пшеницы в дозе 2% суспензии от их массы, а также внесение в почву одновременно с посевом бактеризованных семян полного минерального удобрения из расчета Р₃₀. Предпосевная обработка семян препаратом на основе фосфатмобилизующего штамма L. nimipressuralis ВКПМ В-12783, являющегося частью естественного микробоценоза чернозема южного, способствует эффективному использованию труднорастворимых минеральных фосфатов удобрений и почвы, что позволяет снизить дозу минеральных удобрений и повысить зерновую продуктивность озимой пшеницы, не нарушая биологического равновесия агроэкосистемы. К тому же, способность штамма L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 продуцировать фитогормоны обеспечивает высокую эффективность различных аспектов метаболизма растений, в том числе и накопление аминокислот в зерне, невзирая на сложные (стрессовые) условия. Стартовое внесение полного минерального удобрения из расчета Р₃₀ позволяет обеспечить питательными веществами молодые растения.

Таким образом, применение биопрепарата на основе фосфатмобилизующего штамма L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 для предпосевной обработки семян озимой пшеницы с одновременным внесением при посеве полного минерального удобрения (Рзо) позволяет не только повысить зерновую продуктивность озимой пшеницы и сократить дозу внесения минеральных удобрений, но и улучшить качественные показатели зерна (увеличение содержания белка, клейковины, накопление аминокислот).

Изложенная сущность изобретения поясняется примерами реализации предложенного способа.

Пример 1. Полевые опыты проведены в 2016-2019 гг. на экспериментальном поле Агропромышленного колледжа КФУ им. В.В. Вернадского (Симферопольский р-н). Почва опытных делянок - чернозем южный карбонатный тяжелосуглинистый, агрохимическая характеристика: содержание гумуса 2,5%, подвижного фосфора и обменного калия - 2,6 и 25,0 мг/г почвы соответственно, рН почвенного раствора - 7,0-7,2. Озимую пшеницу выращивали на четырех фонах: без внесения минеральных удобрений и с внесением минерального удобрения Аммофос из расчета Р₃₀, Р₆₀, Р₉₀. Площадь каждой делянки 1500 м², повторность четырехкратная. Схема опытов на каждом фоне включала следующие варианты: контроль (обработка семян водой) и обработка семян биопрепаратом в виде бактериальной суспензии, содержащей клетки фосфатмобилизующей бактерии Lelliottia nimipressuralis ВКПМ В-12783 с титром 1,0-2,0×10¹⁰ кл/мл в дозе 2% суспензии от массы семян.

Анализ результатов, полученных в среднем за 3 года показал, что применение микробного препарата на основе фосфатмобилизующей бактерии L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 является эффективным приемом повышения урожайности озимой пшеницы (табл. 1). Наиболее высокие показатели получены при использовании препарата на фоне Р₃₀: предпосевная инокуляция семян способствовала достоверному увеличению прибавки урожайности зерна на 31,5% по сравнению с контролем.

Таким образом, результаты трехлетних полевых исследований показали перспективу совместного применения биопрепарата на основе фосфатмобилизующих бактерий L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 и минеральных удобрений при выращивании озимой пшеницы в агроклиматических условиях юга России.

Пример 2. Среди показателей качества зерна озимой пшеницы особенное значение принадлежит содержанию белка и клейковины -наиболее важным хозяйственно-ценовым признакам. Наиболее важные жизненные процессы человека (обмен веществ, рост и развитие, размножение) связаны с белками, их невозможно заменить в питании другими веществами. Клейковина определяет хлебопекарские свойства зерна: более высокое ее содержание повышает качество хлеба.

Результаты проведенных опытов показали, что содержание белка в зерне озимой пшеницы зависит как от дозы внесения минеральных удобрений, так и от применения биопрепарата (фиг. 1). Так, внесение удобрений из расчета Р₆₀ и Р₉₀ способствовало увеличению содержания протеина в зерне до 12,4 и 12,8% (против 9,9% на участке без удобрения). Однако, наиболее благоприятной дозой минеральных удобрений, обеспечивающей позитивный эффект предпосевной бактеризации семян, является внесение удобрений из расчета Р₃₀. Так, содержание белка в зерне при использовании биопрепарата в этих условиях повышалось до 12,5% против 10,8% в контроле (без инокуляции).

Наши исследования свидетельствуют о позитивном влиянии высоких доз минеральных удобрений на содержание клейковины в зерне пшеницы: на фоне Р₆₀ и Р₉₀ показатели возрастали до 27,3% против 19,2% (участок без внесения удобрения). Отмечено также положительное влияние предпосевной инокуляции семян на количество клейковины в зерне (фиг. 2). Наибольшая эффективность биопрепарата выявлена при внесении минеральных удобрений из расчета Р₃₀: содержание клейковины в зерне возрастало до 28% против 21,2% в контроле (без инокуляции).

Итак, применение микробного препарата на основе бактерии L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 для предпосевной бактеризации семян озимой пшеницы в почвенно-климатических условиях юга России способствует повышению качества зерна (увеличение содержания белка и клейковины). Установлено, что наиболее благоприятной дозой минеральных удобрений, обеспечивающей позитивный эффект бактеризации, является их внесение из расчета Р₃₀: содержание белка в зерне возрастает до 12,5%, клейковины - до 28,0% против 10,8% и 21,2% в контроле соответственно.

Пример 3. Важное значение при оценке качества пищевого зерна принадлежит аминокислотному составу белков, особенно содержанию незаменимых аминокислот, которые не синтезируются в организме человека. В составе белка зерна пшеницы выявлено 20 аминокислот, в наибольшем количестве - глутаминовая кислота; кроме того, в зародышах зерновок содержится много незаменимых аминокислот, в частности лизина. В периферических частях эндосперма зерновки пшеницы содержится 3-4% аргинина и валина; 1-2% - лизина, цистина, метионина; до 1% -триптофана; в его центральной части - 6-8% изолейцина и лейцина, а также 3-4% фенилаланина; алейроновый слой обогащен триптофаном.

Результаты, полученные в проведенных опытах, показали позитивное воздействие минеральных удобрений и микробного препарата на основе L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 на аминокислотный состав растительных белков в зерне озимой пшеницы (табл. 2). Так, внесение минеральных удобрений способствовало возрастанию количества каждой из аминокислот в зерне пшеницы: как заменимых, так и незаменимых, что свидетельствует о повышении качества продукции. Однако, наибольшее увеличение содержания аминокислот в зерне пшеницы произошло за счет заменимых аминокислот, а именно глутаминовой: ее содержание в зерне бактеризованных растений возросло в 1,7 раза против контроля. Следует отметить, что при совместном применении микробного препарата и внесении минеральных удобрений из расчета Р₃₀ содержание аминокислот в зерне было наибольшим: оно превышало не только значения контроля (без удобрения), но и варианты с внесением высоких доз удобрений (Р₆₀ и Р₉₀). Выявлено также возрастание суммарного содержания аминокислот в зерне пшеницы при совмещении бактеризации и внесения удобрений (Р₃₀): на 52%, 29%, 17% и 10% против контроля (б/у), Р₃₀, Р₆₀ и Р₉₀ соответственно.

Кроме того, бактеризация способствовала увеличению суммарного содержания в зерне как незаменимых, так и заменимых аминокислот: на 33% и 59% против контроля соответственно (табл. 3). Это обстоятельство привело к изменению соотношения незаменимые/заменимые аминокислоты в сторону его уменьшения.

Таким образом, совместное применение предпосевной инокуляции семян микробным препаратом на основе L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 и удобрений из расчета Р₃₀ способствует накоплению аминокислот в зерне пшеницы в количестве, эквивалентном внесению удобрений из расчета Р₉₀.

Приведенные примеры наглядно демонстрируют преимущества заявляемого способа. Положительное воздействие предпосевной инокуляции семян озимой пшеницы на урожайность и качественные показатели зерна (увеличение содержания белка, клейковины, накопление аминокислот) объясняется тем, что штамм почвенных бактерий L. nimipressuralis ВКПМ В-12783 (основа биопрепарата) обладает способностью продуцировать фитогормоны и трансформировать труднорастворимые минеральные фосфаты в усвояемые для растений формы, а стартовое внесение полного минерального удобрения из расчета Р₃₀ позволяет обеспечить питательными веществами молодые растения. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повышать зерновую продуктивность и качество урожая озимой пшеницы в почвенно-климатических условиях южных регионов России. Кроме того, изобретение позволяет существенно снизить норму внесения минеральных удобрений, что ведет к снижению материальных затрат и уменьшению антропогенной нагрузки на окружающую среду.