Kazan, Kazan, Russian Federation
Kazan', Russian Federation
Nowadays, there is a significant interest in the use of biological plant protection products as an ecologically friendly alternative to chemical fungicides in integrated plant protection systems. The aim of the study was to investigate the effect of six antifoaming compositions, which can be used in the cultivation of the biological control agent Bacillus velezensis MGMM30 on the strain efficacy, the phytopathogenic load, and the growth parameters of seedlings. The methodology included seed germination on nutrient media, in humid chambers, and in filter paper rolls, with assessment of infection by major seed-borne pathogens (Alternaria spp., Fusarium spp., etc.) and biometric indicators. Compositions 3T80-SiO₂ and 4T80-SiO₂ in combination with the strain demonstrated the most pronounced effect, reducing seed infection to 0% on nutrient medium and ensuring high germination rates (78–86.7%) along with significant pathogen suppression in other test methods. The 5T80 variant also showed high efficacy in reducing the infectious background. Thus, antifoaming compositions used in the production of the biological control agent B. velezensis MGMM30 can enhance the effectiveness of the biological agent, opening prospects for the development of industrial forms of bio-fungicides with improved efficacy.
defoamers, spring wheat, Bacillus velezensis, phytopathogens, seed infection, biopesticides
Введение. Предпосевная обработка семян остается ключевым элементом интегрированных систем защиты растений, позволяя снизить пораженность посевов семенными и почвенными инфекциями, улучшить стартовое развитие и повысить урожайность культур. В условиях роста требований к экологической безопасности и сокращения применения классических химических фунгицидов возрастает интерес к биопрепаратам на основе антагонистических бактерий и грибов, применяемым в составе протравителей семян [1, 2, 3].
Биологические протравители на основе родов Bacillus рассматриваются как экологически более безопасная альтернатива, обеспечивающая контроль широкого спектра фитопатогенов. Штаммы Bacillus velezensis характеризуются высокой антагонистической активностью к широкому спектру фитопатогенных грибов за счет синтеза липопептидов, ферментов и других метаболитов, что делает их перспективной основой биологических протравителей [1, 4, 5].
Современные тренды в разработке протравителей включают создание комбинированных форм с использованием биоконтрольных агентов, наноматериалов и полимерных покрытий, обеспечивающих пролонгированное высвобождение действующих веществ и снижение негативного воздействия на окружающую среду. При этом, свойства вспомогательных компонентов (ПАВ, полимеров, пеногасителей) существенно влияют на распределение активных веществ на поверхности семени, степень вымывания фунгицидов, а также выживаемость микроорганизмов в процессе хранения и после посева.
Пеногасители являются необходимым компонентом при ферментационном культивировании многих микроорганизмов. В тех случаях, когда для обработки растений используется культура микроорганизмов вместе с культуральной жидкостью, пеногасители также попадают на растения и их влияние на растительно-микробные взаимодействия должно приниматься во внимание. В научной и промышленной практике практически отсутствуют систематические исследования по оценке влияния современных пеногасителей на жизнеспособность и антагонистическую активность штаммов Bacillus при совместном применении на семенах зерновых культур, что создает риск снижения эффективности биопрепаратов или, наоборот, недоиспользования потенциала композиционных систем [6, 7].
Рынок средств для обработки семян демонстрирует устойчивый рост, что связано с необходимостью интенсификации производства при одновременном снижении пестицидной нагрузки и повышении устойчивости культур к стрессам. В этих условиях разработка пеногасителей, адаптированных к биоформуляциям и не угнетающих жизнеспособность продуцентов, является важным элементом технологической оптимизации процессов протравливания семян и обеспечения микробиологической безопасности посевного материала [7, 8].
Цель исследования – оценить влияние различных композиций пеногасителей на совместимость со штаммом Bacillus velezensis и их эффективность в снижении фитопатогенной нагрузки на семенной материал и проростки яровой пшеницы.
Задачи исследования:
- оценить влияние пеногасителей на всхожесть и биометрические показатели проростков яровой пшеницы при различных методах проращивания;
- оценить способность пеногасителей в композиции с Bacillus velezensis снижать зараженность семян и проростков основными семенными фитопатогенами;
- выделить композиции пеногасителей, обеспечивающие максимальное снижение фитопатогенной нагрузки при сохранении или улучшении ростовых параметров растений.
Условия, материалы и методы. Работу выполняли в лаборатории молекулярно-генетических и микробиологических методов на базе ФИЦ КазНЦ РАН (г. Казань, Россия) в 2025 году.
Использовали перспективный штамм Bacillus velezensis MGMM30, который продуцирует большое количество антимикробных метаболитов: липoпептиды, полипептиды, ферменты, непептидные соединения [9]. Поверхностно-активные вещества, которые представляют собой aмфипатические молекулы с полярными и гидрофобными участками, могут быть связаны с фунгицидной активностью [10]. Также для этого штамма показано защитное действие при заражении томатов бактериальным фитопатогеном Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 [11].
В эксперименте применяли шесть пеногасителей (табл. 1).
Таблица 1 – Состав пеногасителей в процентном соотношении
|
Наименование |
Вода |
Tw80 |
ПМС200 |
2-HDol |
D3 |
D4 |
SiO2 |
|
1T80 |
25 |
10 |
10 |
35 |
20 |
- |
- |
|
3T80 |
25 |
10 |
10 |
35 |
- |
20 |
- |
|
3T80-SiO2 |
25 |
10 |
30 |
35 |
- |
- |
1 |
|
4T80 |
25 |
10 |
10 |
35 |
- |
20 |
- |
|
4T80-SiO2 |
25 |
10 |
10 |
35 |
- |
20 |
1 |
|
5T80 |
25 |
10 |
10 |
35 |
- |
- |
20 |
Tw80 – Твин 80, ПМС200 – полидиметилсульфоксан, 2-HDol 2 – 2-гексил-1-деканол; D3 –Гексаметилциклотрисилоксан, (M = 222); D4 – Октаметилциклотрисилоксан, (M = 296).
В качестве тест культуры использовали семена яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Гранни, репродукция – СЭ.
Схема опыта включала инокуляцию семян рабочими растворами штамма Bacillus velezensis и пеногасителями. Биометрические показатели семян и их зараженность основными семенными фитопатогенами (Alternaria spp., Bipolaris spp., Fusarium spp, Penicillium, Aspergillus, Mucor) оценивались тремя методами:
В чашки Петри с питательной средой Кинг Б, в стерильных условиях разложили семена яровой пшеницы. Семена пшеницы были заранее стерилизованы в этиловом спирте 70 % в течении 2-3 минут, затем трехкратно промыты дистиллированной водой и высушены на фильтровальной бумаге, далее семена инокулировали штаммами с добавлением пеногасителей согласно схеме опыта. В чашку Петри закладывали 25 семян в 3-х кратной повторности. Семена проращивали в климатостате КС-200 СПУ течении 3 суток, при температуре 26 оС.
В чашки Петри с двойным слоем фильтровальной бумаги, увлажненной стерильной дистиллированной водой разложили семена яровой пшеницы. Семена пшеницы были заранее стерилизованы в этиловом спирте 70 % в течении 2-3 минут, затем трехкратно промыты дистиллированной водой и высушены на фильтровальной бумаге, далее семена инокулировали штаммами с добавлением пеногасителей согласно схеме опыта. В чашку Петри закладывали 25 семян в трех кратной повторности. Семена проращивали в течение 5 суток в климатостате КС-200 СПУ, при температуре 25 оС.
Метод фитоэкспертизы семян с использованием рулонов фильтровальной бумаги. Семена пшеницы были заранее стерилизованы в этиловом спирте 70 % в течении 2-3 минут, затем трехкратно промыты дистиллированной водой и высушены на фильтровальной бумаге, далее семена инокулировали штаммами с добавлением пеногасителей согласно схеме опыта. Семена проращивали в течении 3 суток в климатостате КС-200 СПУ, при температуре 25 оС, без освещения, далее 4 суток при освещении 16/8.
Зараженность семян определяли путем подсчета количества семян с проросшими колониями в общем количестве семян.
Результаты и обсуждение. По результатам оценки зараженности семян яровой пшеницы сорта Гранни на питательной среде Кинг Б максимальная зараженность (100%) отмечена в контроле с водой, что отражает высокий исходный фитопатогенный фон семенного материала. Внесение штамма MGMM 30 без пеногасителей уменьшило зараженность до 60%, подтверждая выраженную антагонистическую активность штамма в отношении семенных фитопатогенов.
Таблица 2 – Зараженность семян яровой пшеницы сорта Гранни на питательной среде Кинг Б
|
Вариант |
Зараженность семян, % |
|
Контроль (H2O) |
100 |
|
MGMM 30 |
60 |
|
1T80 + MGMM 30 |
26,7 |
|
3T80 + MGMM 30 |
6,7 |
|
3T80-SiO2 + MGMM 30 |
0 |
|
4T80 + MGMM 30 |
100 |
|
4T80-SiO2 + MGMM 30 |
0 |
|
5T80 + MGMM 30 |
80 |
Композиции штамма MGMM 30 с пеногасителями продемонстрировали дифференцированное влияние на фитопатогенную нагрузку: варианты 1Т80 и 3Т80 снижали зараженность до 26,7 и 6,7% соответственно, что указывает на синергизм штамма и данных составов пеногасителей. Наиболее выраженный защитный эффект зафиксирован для вариантов 3Т80-SiO2 и 4Т80-SiO2, в которых зараженность семян не выявлялась, что свидетельствует о практически полном подавлении патогенной микрофлоры при сохранении активности Bacillus velezensis в присутствии указанных композиций.
Варианты 4Т80 и 5Т80 без добавления SiO2 показали менее выраженный эффект: в случае 4Т80 зараженность оставалась на уровне 100%, а при 5Т80 составляла 80%, что может свидетельствовать о неблагоприятном влиянии отдельных компонентов пеногасителя на колонизацию семян штаммом или формирование защитной пленки.
То есть, включение диоксида кремния в состав пеногасителей 3Т80 и 4Т80 обусловило резкое снижение фитопатогенной нагрузки, что позволяет рассматривать эти композиции как наиболее перспективные для биологических протравителей на основе Bacillus velezensis.
В условиях влажных камер (табл. 3) контроль с водой характеризовался удовлетворительной всхожестью (73,3%) при минимальной длине стебля и корня, тогда как вариант только с MGMM 30 демонстрировал снижение всхожести до 40% при заметном увеличении длины надземной и корневой системы, но с более высокой зараженностью (46,7%). Это указывает на то, что штамм стимулирует рост отдельных проростков, однако без оптимизации формуляции его защитный эффект в условиях высокой инфекционной нагрузки ограничен.
Таблица 3 – Биометрические показатели и зараженность проростков яровой пшеницы, пророщенных в условиях влажных камер
|
Вариант |
Всхожесть, % |
Длина стебля, мм |
Длина корня, мм |
Количество корешков, шт |
Зараженность семян, % |
|
Контроль (H2O) |
73,3±3 |
2,05±0,51 |
4,10±0,70 |
3±0,64 |
20 |
|
MGMM 30 |
40,0±3 |
8,47±0,52 |
9,07±0,68 |
4±0,67 |
46,7 |
|
1T80 + MGMM 30 |
60,0±3 |
5,63±0,61 |
6,93±0,71 |
4±0,56 |
20 |
|
3T80 + MGMM 30 |
53,3±3 |
4,40±0,58 |
6,90±0,82 |
3±0,62 |
40 |
|
3T80-SiO2 + MGMM 30 |
80,0±3 |
6,77±0,63 |
8,07±0,78 |
4±0,64 |
13,3 |
|
4T80 + MGMM 30 |
73,3±3 |
8,60±0,70 |
9,77±0,64 |
4±0,58 |
26,7 |
|
4T80-SiO2 + MGMM 30 |
86,7±3 |
5,03±0,54 |
7,17±0,59 |
3±0,56 |
6,67 |
|
5T80 + MGMM 30 |
60,0±3 |
4,83±0,64 |
6,93±0,67 |
4±0,58 |
26,7 |
Добавление пеногасителей повлияло как на ростовые параметры, так и на фитопатогенную нагрузку. Вариант 3Т80-SiO2 + MGMM 30 обеспечил повышение всхожести до 80%, увеличение длины стебля и корня по сравнению с MGMM 30 и снижение зараженности до 13,3%, что свидетельствует о благоприятном сочетании ростостимулирующего и защитного эффектов. Композиция 4Т80-SiO2 + MGMM 30 также повысила всхожесть (86,7%), при этом отмечалось снижение зараженности до 6,67% при сохранении удовлетворительных биометрических показателей, что указывает на эффективное подавление патогенов при минимальном стрессовом воздействии на растения.
Вариант 4Т80 + MGMM 30 без диоксида кремния обеспечил максимальную длину стебля (8,6 мм) и корня (9,77 мм) среди рассмотренных вариантов, однако зараженность проростков оставалась на уровне 26,7%, что говорить о преимущественно ростстимулирующем, а не защитном эффекте такой композиции. Для варианта 1Т80 + MGMM 30 отмечена умеренная всхожесть и уменьшение зараженности до 20%, тогда как 5Т80 + MGMM 30 демонстрировал лишь частичное снижение фитопатогенной нагрузки (26,7%) при средних ростовых показателях.
При использовании метода рулонов (табл. 4) контрольный вариант и чистый штамм MGMM 30 характеризовались сопоставимой всхожестью (74-76%) при умеренной длине стебля и корня и зараженности на уровне 10-22%, что отражает действие стандартизированной лабораторной методики с меньшей экспозицией к патогенам по сравнению с влажными камерами. Вариант 3Т80 + MGMM 30 демонстрировал заметное увеличение длины стебля (12 мм) и корня (13,22 мм), а также числа корешков (5 шт.), при снижении зараженности до 14%, что подтверждает как ростстимулирующее, так и умеренное защитное действие композиции.
Таблица 4 – Биометрические показатели и зараженность проростков яровой пшеницы, пророщенных в рулонах
|
вариант |
Всхожесть, % |
Длина стебля, мм |
Длина колеоптиле, мм |
Длина корня, мм |
Количество корешков, шт. |
Зараженность семян, % |
|
Контроль (H2O) |
74±3 |
8,52±2,28 |
3,04±0,60 |
10,76±0,74 |
4±0,68 |
22 |
|
MGMM 30 |
76±3 |
9,46±1,44 |
3,10±0,30 |
11,72±1,08 |
3±0,65 |
10 |
|
1T80 + MGMM 30 |
70±3 |
11,22±0,58 |
2,96±0,40 |
12,3±0,80 |
4±0,64 |
16 |
|
3T80 + MGMM 30 |
72±3 |
12,00±1,60 |
3,20±0,30 |
13,22±0,88 |
5±0,59 |
14 |
|
3T80-SiO2 + MGMM 30 |
78±3 |
12,20±0,7 |
2,92±0,18 |
12,28±0,72 |
3±0,62 |
14 |
|
4T80 + MGMM 30 |
74±3 |
11,48±2,12 |
3,08±0,02 |
11,64±0,86 |
3±0,58 |
8 |
|
4T80-SiO2 + MGMM 30 |
80±3 |
11,54±1,06 |
3,02±0,18 |
13,06±1,74 |
4±0,54 |
10 |
|
5T80 + MGMM 30 |
78±3 |
10,34±2,36 |
2,72±0,48 |
10,7±0,30 |
4±0,52 |
2 |
Пеногасители 3Т80-SiO2 и 4Т80-SiO2 в сочетании с MGMM 30 обеспечили высокую всхожесть (78–80%) и сохранение или увеличение длины корневой системы при умеренном или низком уровне зараженности (8-14%), что указывает на стабильный защитный эффект в условиях, моделирующих более продолжительное проращивание. Особенно показателен вариант 5Т80 + MGMM 30, где при высокой всхожести (78%) наблюдалась минимальная зараженность (2%), что свидетельствует о выраженном снижении фитопатогенной нагрузки на проростки при сохранении нормального роста.
Сопоставление результатов трех методик показывает, что отдельные композиции пеногасителей (3Т80-SiO2, 4Т80-SiO2, 5Т80) не только обеспечивают технологическое подавление пенообразования, но и существенно снижают уровень семенных и ранневсходовых инфекций в присутствии Bacillus velezensis MGMM 30. Это позволяет предположить, что оптимизированные формулы пеногасителей создают условия для более равномерной колонизации поверхности семени антагонистическими бактериями и формирования устойчивого микробного барьера против фитопатогенов.
Выводы. Включение пеногасителей в состав рабочей суспензии Bacillus velezensis MGMM 30 существенно модифицирует уровень фитопатогенной нагрузки на семена и проростки яровой пшеницы.
Наиболее эффективными с точки зрения снижения зараженности семян и проростков при сохранении или повышении всхожести и ростовых показателей оказались композиции 3Т80-SiO2, 4Т80-SiO2 и 5Т80, обеспечивающие почти полное подавление патогенов в отдельных вариантах опыта.
Правильно подобранные пеногасители не только не снижают эффективность биопрепарата на основе Bacillus velezensis MGMM 30, но и способствуют более эффективному снижению фитопатогенного фона семенного материала, что важно при создании промышленных форм биологических протравителей.
1. M.S. Ayesha, T.S. Suryanarayanan, K.N. Nataraja, et. al. Seed Treatment With Systemic Fungicides: Time for Review. [Internet]. Frontiers in Plant Science. 2021. V. 12. Article 654512. [cited 2025, October 12]. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34408757. doi:https://doi.org/10.3389/fpls.2021.654512.
2. Shelar A, Nile SH, Singh AV, et al. Recent Advances in Nano-Enabled Seed Treatment Strategies for Sustainable Agriculture: Challenges, Risk Assessment, and Future Perspectives. [Internet]. Nano-micro Lettyers. 2023. V.15. Article 54. [cited 2025, September 25]. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36795339. doi:https://doi.org/10.1007/s40820-023-01025-5.
3. Abo-Zaid, G.A., Darwish, M.H., Ghozlan, H.A. et al. Sustainable management of peanut damping-off and root rot diseases caused by Rhizoctonia solani using environmentally friendly bio-formulations prepared from batch fermentation broth of chitinase-producing Streptomyces cellulosae. [Internet]. BMC plant biology. 2024. V.24. Article 760. [cited 2025, September 25]. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39118060. doi:https://doi.org/10.1186/s12870-024-05441-6.
4. Mukherjee P.K., Mehetre S.T., Sherkhane P.D. et. al. A Novel Seed-Dressing Formulation Based on an Improved Mutant Strain of Trichoderma virens, and Its Field Evaluation [Internet]. Frontiers in microbiology. 2019. V.10. 1910. [cited 2025, September 25]. Available from: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6730527. doihttps://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01910.
5. Rodriguez R., Freeman D.C., McArthur E.D. et. al. Symbiotic regulation of plant growth, development and reproduction. Communicative & Integrative Biology. 2009. V.2. 141-143 p. doi:https://doi.org/10.4161/cib.7821.
6. Nielsen J.C., Senne de Oliveira L.F., Rasmussen T. G. et al. Industrial antifoam agents impair ethanol fermentation and induce stress responses in yeast cells. [Internet]. Applied microbiology and biotechnology. 2017. V.101 (22). 8237-8248 p. [cited 2025, September 20]. Available from: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5719808. doi:https://doi.org/10.1007/s00253-017-8548-2.
7. Dogadina M. A., Pravdyuk A. I., Krivorotova Ye. I. [Challenges and trends of the biopesticides market] // Vestnik agrarnoy nauki. 2024. № 2 (107). 40-48 p. doi:https://doi.org/10.17238/issn2587-666X.2024.2.40.
8. Lysov A.K. [Problems of application of plant protection products and ways to reduce their technogenic impact on the environment] // AgroEkoInzheneriya. 2023. № 3(116). 34-51 p.
9. Patent № 2823280 C1 RF. [Strain of the endophytic bacterium Bacillus velezensis MGMM30 for stimulating growth, reducing disease development, and increasing crop yields]. Zayavl. 25.12.2023 : opubl. 22.07.2024 / D. M. Afordoani, SH. Z. Validov, Ye. YU. Shulga, B. R. Islamov; zayavitel FITS «KazNTS RAN».
10. Sidorova T. M., Asaturova A. M., Allakhverdyan V. V. [Chromatographic profiles of antifungal exo- and endometabolites of Bacillus velezensis]. Tavricheskiy vestnik agrarnoy nauki. 2021. № 2(26). 191-199 p. Doi:https://doi.org/10.33952/2542-0720-2021-2-26-191-199.
11. Sumaira, E. A. Gavrilova, S. Z. Validov et al. The Effect of Bacillus subtilis and Bacillus valezensis on the Antioxidative Responses of Tomato Plants Facing Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 Infection. [Internet]. Journal of Phytopathology. 2025. V.173. № 5. id e70178. [cited 2025, September 30]. Available from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jph.70178. doi:https://doi.org/10.1111/jph.70178.
