АМИНОКИСЛОТНЫЙ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ МОРКОВИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

АМИНОКИСЛОТНЫЙ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ МОРКОВИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Научная статья

Замана С.П.^1, *, Кондратьева Т.Д.², Федоровский Т.Г.³, Соколов С.А.⁴

¹ ORCID 0000-0001-7927-364X;

³ ORCID 0000-0001-7439-3212;

⁴ ORCID 0000-0002-3950-2273;

^{1, 2, 3, 4} Государственный университет по землеустройству, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (svetlana.zamana[at]gmail.com)

Аннотация

При выращивании моркови применяли биостимуляторы, содержащие бактерии Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis, Bacillus megaterium и гриб Trichoderma harzianum. Определение 17 аминокислот в моркови показало, что сумма незаменимых аминокислот в варианте с биостимуляторами была на 46,3% выше, чем в контрольном варианте. При этом увеличилось содержание 11 аминокислот: аспарагиновой кислоты, серина, пролина, валина, изолейцина, лейцина, тирозина, фенилаланина, гистидина, лизина, аргинина. В опытном варианте увеличилось содержание практически всех определяемых жизненно-важных макроэлементов (фосфора, кальция, магния) и микроэлементов (железа, цинка, кремния, марганца, меди, хрома, никеля, ванадия, йода, кобальта).

Ключевые слова: биостимуляторы, морковь, микроорганизмы, аминокислоты, макро- и микроэлементы.

ON THE AMINO ACID AND ELEMENT COMPOSITION OF CARROTS WHEN USING MICROORGANISM-BASED BIOSTIMULANTS

Research article

Zamana S.P.^1, *, Kondratyeva T.D.², Fedorovsky T.G.³, Sokolov S.A.⁴

¹ ORCID 0000-0001-7927-364X;

³ ORCID 0000-0001-7439-3212;

⁴ ORCID 0000-0002-3950-2273;

^{1, 2, 3, 4} State University of Land Management, Moscow, Russia

* Corresponding author (svetlana.zamana[at]gmail.com)

Abstract

When growing carrots, the current study applies biostimulants containing the bacteria Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis, Bacillus megaterium and the fungus Trichoderma harzianum. The identification of 17 amino acids in carrots showed that the amount of essential amino acids in the variant with biostimulants was 46.3% higher than in the control variant. At the same time, the study also showed an increase in the content of the following 11 amino acids: aspartic acid, serine, proline, valine, isoleucine, leucine, tyrosine, phenylalanine, histidine, lysine, arginine.  The experimental version showed an increase in the content of almost all detectable vital macronutrients (phosphorus, calcium, magnesium) and trace elements (iron, zinc, silicon, manganese, copper, chromium, nickel, vanadium, iodine, cobalt).

Keywords: biostimulants, carrots, microorganisms, amino acids, macro- and microelements.

Введение

Недостаток белка и жизненно-важных химических элементов в рационе человека нарушает нормальную жизнедеятельность организма и приводит к серьезным отрицательным последствиям. Поэтому производство продукции с оптимальным содержанием растительного белка и необходимых макро- и микроэлементов – важная задача сельского хозяйства.

Морковь - наиболее распространенная и важнейшая овощная культура с высоким содержанием необходимых для человека витаминов (В, РР, С, Е, К), каротина, сахара, жизненно-важных макро- и микроэлементов (Ca, Р, K, Mg, Fe, Co, Cu, Zn, Cr, F, Ni и др.). Корнеплоды моркови содержат аминокислоты - лизин, гистидин, цистеин, аспарагин, серин, треонин, пролин, метионин, тирозин, лейцин и др., входящие в состав белка, хотя в моркови относительно невысокое его содержание.

Биостимуляторы растений — это любое вещество или микроорганизмы, вносимые в небольших количествах с целью повышения эффективности питания растений, устойчивости их к стрессам и для улучшения качества выращиваемых сельскохозяйственных культур. Слово биостимулятор впервые было предложено Kauffman et al. [1]. В последующие годы это слово все чаще использовалось, расширяя диапазон веществ [2]. Биостимуляторы, доступные на рынке, включают бактерии, грибы, водоросли, высшие растения, животное и гуматсодержащее сырье.

Бактерии взаимодействуют с растениями всеми возможными способами [3]. Ризобактерии, способствующие росту растений, многофункциональны и влияют на все аспекты жизни растений: питание и рост, морфогенез и развитие, реакцию на биотический и абиотический стресс, взаимодействие с другими организмами в агроэкосистемах [4], [5].

Микоризные грибы устанавливают симбиоз более чем с 90% всех видов растений. Арбускулярно-микоризные грибы являются широко распространенным видом эндомикоризы [6], [7]. Растет интерес к использованию микоризных грибов в питании растений (для обеспечения как макроэлементами, особенно фосфором, так и микроэлементами), для создания благоприятного водного баланса, защиты растений от биотических и абиотических стрессов [8], [9]. Сеть гифов может соединять не только грибковых и растительных партнеров, но также и отдельные растения в растительном сообществе [10], [11]. Многие ученые [12], [13] отмечают, что использование непатогенных почвенных бактерий, живущих на корнях растений, является очень перспективным направлением и открывает значительные возможности для сельского хозяйства, особенно для органического земледелия. Бактерии, принадлежащие к роду Bacillus, и особенно штаммы Bac. subtilis, эффективны для биологической борьбы со многими болезнями растений, вызываемыми почвенными патогенами [14]. Роль грибов - антагонистов фитопатогенов из рода Trichoderma в настоящее время общеизвестна.

Целью нашего исследования являлась оценка влияния биостимуляторов, содержащих полезные микроорганизмы, на содержание аминокислот и жизненно-важных макро- и микроэлементов в корнеплодах моркови, выращенной на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве Московской области.

Методы и принципы исследований

В состав исследуемого нами препарата входят: азотфиксирующая бактерия Azotobacter chroococcum, антагонисты фитопатогенов - гриб Trichoderma harzianum и бактерия Bacillus subtilis, бактерия - иммуномодулятор Bacillus megaterium. Кроме вытеснения фитопатогенов в ризосфере корней растений, спорообразующая бактерия Bacillus subtilis обладает высокой ферментативной активностью и разлагает различные органические вещества в почве. Бактерия Bacillus megaterium стимулирует естественные защитные реакции растений и индуцирует их иммунитет, она регулирует поступление питательных элементов из почвы в растения. Гриб Trichoderma harzianum - эффективный биоагент для борьбы с корневыми гнилями сельскохозяйственных культур, он подавляет развитие возбудителей многих болезней растений. Кроме полезных микроорганизмов, в состав препарата входит органо - минеральный носитель.

Опыт проводили на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве Московской области. Схемой опыта предусматривалось два варианта:

1) контроль,

2) биостимуляторы.

На делянках размером 50 м² высевали морковь сорта «Витаминная 6», повторность была 4-кратная. Препарат вносили 2 раза в период вегетации с интервалом внесения в 1 месяц. Его предварительно растворяли в воде из расчета 10 г препарата на делянку и поливали растения с последующим рыхлением почвы.

Используемый в опыте сорт моркови является скороспелым сортом (от всходов до уборки урожая 80-100 дней). Корнеплод цилиндрический, тупоконечный, длиной более 15 см, массой 100-165 г. Сорт обладает высокими вкусовыми качествами и хорошей лежкостью.

Аминокислотный состав моркови определяли методом капиллярного электрофореза на анализаторе «Капель - 105 М». Элементный состав определяли с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) на масс-спектрометре Nexion 300 D (Perkin Elmer, США).

Основные результаты

Проводилось исследование по оценке влияния биостимуляторов на основе полезных микроорганизмов на аминокислотный и элементный состав корнеплодов моркови. Незаменимыми для большинства животных и человека аминокислотами являются валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, аргинин, гистидин, а заменимыми - глицин, аланин, пролин, серин, цистеин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, тирозин.

Результаты определения содержания 17 аминокислот в корнеплодах моркови представлены в таблице 1. Как видно из таблицы, сумма незаменимых аминокислот в варианте с препаратом была на 46,3% выше, чем в контрольном варианте, и составляла 5,12 г/кг сух. в-ва, в то время как в контрольном – 3,50 г/кг сух. в-ва. В опытном варианте незаменимые аминокислоты составляли 26,85% от суммы определяемых аминокислот, а в контрольном – 19,15%; сырой протеин – 8,82% (в опытном варианте) и 8,67% - в контрольном.

При применении препарата, содержащего полезные микроорганизмы, увеличилось среднее содержание 11 аминокислот: аспарагиновой кислоты (с 3,73 до 4,12 г/кг сух. в-ва), серина (с 0,93 до 1,08 г/кг сух. в-ва), пролина (с 0,03 до 0,04 г/кг сух. в-ва), валина (с 0,003 до 0,046 г/кг сух. в-ва), изолейцина (с 0,02 до 0,67 г/кг сух. в-ва), лейцина (с 0,75 до 0,82 г/кг сух. в-ва), тирозина (с 0,55 до 0,64 г/кг сух. в-ва), фенилаланина (с 0,62 до 0,72 г/кг сух. в-ва), гистидина (с 0,42 до 0,52 г/кг сух. в-ва), лизина (с 0,02 до 0,69 г/кг сух. в-ва), аргинина (с 0,05 до 1,00 г/кг сух. в-ва). Под воздействием вносимых полезных бактерий и грибов во много раз возросло накопление в корнеплодах моркови таких незаменимых аминокислот, как валин (в 16,7 раза), аргинин (в 20 раз), изолейцин (в 33,5 раза), лизин (в 34,5 раза). Валин является важной аминокислотой, с которой связан нормальный обмен веществ в тканях мышц головного мозга, он участвует в организме в процессах регенерации.

 

Таблица 1 – Результаты определения аминокислотного состава корнеплодов моркови

Показатели	Контроль, г/кг сухого вещества	Биопрепараты, г/кг сухого вещества
аспарагиновая кислота	3,73 ± 0,35	4,12 ± 0,39
треонин	0,67 ± 0,06	0,36 ± 0,03
серин	0,93 ± 0,08	1,08 ± 0,10
глутаминовая кислота	6,90 ± 0,61	5,96 ± 0,50
пролин	0,03 ± 0,002	0,04 ± 0,00
глицин	0,51 ± 0,04	0,46 ± 0,04
аланин	2,12 ± 0,19	1,66 ± 0,16
цистин	0,69 ± 0,060	0,03 ± 0,00
валин	0,003 ± 0,000	0,046 ± 0,003
изолейцин	0,02 ± 0,00	0,67 ± 0,06
лейцин	0,75 ± 0,07	0,82 ± 0,08
тирозин	0,55 ± 0,05	0,64 ± 0,06
фенилаланин	0,62 ± 0,06	0,72 ± 0,06
гистидин	0,42 ± 0,04	0,52 ± 0,05
лизин	0,02 ± 0,00	0,69 ± 0,05
аргинин	0,05 ± 0,00	1,00 ± 0,09
триптофан	0,25 ± 0,02	0,25 ± 0,02
сумма аминокислот	18,27 ± 1,76	19,07 ± 1,68
в т.ч. незаменимых	3,50 ± 0,30	5,12 ± 0,50

Изолейцин обладает иммуностимулирующими свойствами, это важный компонент синтеза гормонов и ферментов, он способствует набору мышечной массы. Лизин необходим для синтеза важнейших белков организма – нуклеопротеидов. Отсутствие данной аминокислоты в организме задерживает образование соединительных тканей. Аргинин в организме превращается в оксид азота, который влияет на многие жизненные процессы. Аргинин укрепляет иммунитет, улучшает кровообращение, ускоряет регенерацию тканей, стимулирует сжигание жира и др. Из заменимых аминокислот несколько увеличилось в корнеплодах моркови из опытного варианта содержание аспарагиновой кислоты (в 1,1 раза), серина и тирозина (в 1,2 раза). Содержание треонина, глицина, аланина, цистина, триптофана и глутаминовой кислоты в опытном варианте уменьшилось по сравнению с контрольным вариантом.

Результаты определения содержания 15 жизненно-важных макро- и микроэлементов в корнеплодах моркови представлены в таблице 2. Необходимые живым организмам химические элементы делятся на макроэлементы (азот, сера, калий, кальций, фосфор, натрий, магний) и микроэлементы (железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, ванадий, никель, хром, кремний).

В корнеплодах моркови, выращенной нами с применением биостимуляторов, по сравнению с контрольным вариантом, среднее содержание фосфора увеличилось с 4130 до 6800 мг/кг сух. в-ва, магния – с 789 до 1055 мг/кг сух. в-ва, кальция – с 1960 до 2080 мг/кг сух. в-ва, а содержание калия уменьшилось с 35000 до 34600 мг/кг сух. в-ва.

Под воздействием биостимуляторов в корнеплодах моркови увеличивалось содержание практически всех определяемых жизненно-важных микроэлементов: железа в 1,12 раза, цинка – в 1,81 раза, кремния – в 1,19 раза, марганца – в 1,21 раза, меди – в 1,55 раза, хрома – в 1,35 раза, никеля – в 1,34 раза, ванадия – в 2,2 раза, йода – в 1,25 раза, кобальта – в 2 раза.

 

Таблица 2 – Содержание химических элементов в корнеплодах моркови

Элементы	Среднее содержание в вариантах опыта, мг/кг сух. в-ва
	Контроль	Биопрепараты
калий	35000 ± 3450	34600 ± 3480
фосфор	4130 ± 411	6800 ± 678
кальций	1960 ± 189	2080 ± 210
магний	789 ± 80	1055 ± 106
железо	48,99 ± 4,78	55,30 ± 5,6
цинк	18,21 ± 1,79	33,05 ± 3,28
кремний	24,16 ± 2,35	28,80 ± 2,76
марганец	10,80 ± 1,10	13,10 ± 1,28
медь	3,85 ± 0,37	5,96 ± 0,53
хром	0,95 ± 0,08	1,28 ± 0,11
никель	0,65 ± 0,07	0,87 ± 0,09
ванадий	0,05 ± 0,004	0,11 ± 0,01
йод	0,04 ±0,003	0,05 ± 0,004
кобальт	0,01 ± 0,001	0,02 ± 0,002
селен	0,004 ± 0,000	0,004 ± 0,000

 

Средний урожай моркови из опытных делянок (8 кг/м²) был на 14% выше, чем из контрольных делянок (7 кг/м²).

Заключение

Внесение биостимуляторов, содержащих непатогенные микроорганизмы Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis, Bacillus megaterium и Тrichoderma harzianum, способствовало увеличению содержания в моркови одиннадцати аминокислот - серина, пролина, валина, изолейцина, лейцина, тирозина, фенилаланина, гистидина, лизина, аргинина и аспарагиновой кислоты, семь из которых являются незаменимыми, а также увеличению содержания жизненно-важных макроэлементов (фосфора, кальция, магния) и микроэлементов (железа, цинка, кремния, марганца, меди, хрома, никеля, ванадия, йода, кобальта).

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Kauffman G. L. Effects of a biostimulant on the heat tolerance associated with photosynthetic capacity, membrane thermostability, and polyphenol production of perennial ryegrass / G. L. Kauffman, D. P. Kneivel, T. L. Watschke // Crop Sci., 47, 261–267. DOI: 10.2135/cropsci2006.03.0171.
2. Halpern M. The use of biostimulants for enhancing nutrient uptake / M. Halpern, A. Bar-Tal, M. Ofek; D.L. Sparks (Ed.). // Advances in Agronomy, 129, 141-174.
3. Ahmad J. Hayat Plant-Bacteria Interactions. Strategies and Techniques to Promote Plant Growth / J. Ahmad, S. Pichtel. WILEY-VCH Verlag GmbH and Co., KGaA, Weinheim
4. Babalola O.O. Beneficial bacteria of agricultural importance / O.O. Babalola // Biotechnol. Lett., 32, 1559-1570.
5. Berendsen R.L. The rhizosphere microbiome and plant health / R.L. Berendsen, C.M. Pieterse, P.A. Bakker // Trends Plant Sci., 17, 1360-1385.
6. Bonfante P. Interactions in mycorrhizal symbiosis / P. Bonfante, A. Genre // Nat. Commun.,1, 1-11.
7. Behie S.W. Nutrient transfer in plant-fungal symbioses Trends / S.W. Behie, M.J. Bidochka // Plant Sci., 19, 734-740.
8. Augé R.M. Water relations, drought and vesicular-arbuscular mycorrhizal symbiosis / R.M. Augé // Mycorrhiza, 11, 3-42.
9. Harrier L.A. The potential role of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi in the bioprotection of plants against soil-borne pathogens in organic and/or other sustainable farming systems / L.A. Harrier, C.A. Watson // Pest Manage. Sci., 60, 149-157.
10. Simard S.W. Mycorrhizal networks: mechanisms, ecology and modelling / S.W. Simard, K.J. Beiler, M.A. Вingham et al. // Fungal. Biol. Rev., 26, 39-60.
11. Johnson D. Interplant signalling through hyphal networks / D. Johnson, L. Gilbert // New Phytol., 205, 1448-1453.
12. Handelsman J. Biocontrol of soilborne plantpatogens / J. Handelsman, E. V. Stabb // Plant Cell., 8, 1855-1869.
13. Whipps J. M. Microbial interactions and biocontrol in the rhizosphere / J. M. Whipps // J. Exp. Bot., 52, 487-511.
14. Asaka O. Biocontrol of Rhizoctonia solani damping-off of tomato with Bacillus subtilis RB14 / O. Asaka, M. Shoda // Appl. Environ. Microbiol., 62, 4081-4085.