Symbiotic nitrogen fixation by perennial legumes in meadow ecosystems

Abstract

В научном обзоре представлены результаты российских и зарубежных исследований по азотфиксирующей способности многолетних бобовых трав. Благодаря способности фиксировать атмосферный азот многолетние бобовые травы являются наиболее выгодными кормовыми культурами, обеспечивающими получение дешёвых кормов с высоким содержанием сырого протеина, дефицит которого ощущается в кормопроизводстве нашей страны. Фиксация и ассимиляция азота сопоставима для растений по своей значимости с фотосинтезом. В среднем за сезон многолетние бобовые травы фиксируют от 92 до 180 кг/га атмосферного азота. В Российской Федерации многолетние бобовые травы, произрастающие на сеяных и естественных угодьях, по количеству фиксируемого азота значительно превосходят другие бобовые культуры. В луговых агрофитоценозах бобовые травы могут передавать злакам до 34% фиксированного азота. Размеры азотфиксации зависят от кислотности и обеспеченности почвы минеральным азотом и влагой. Повышенная кислотность почвы способствует повышению токсичного действия подвижного алюминия и марганца и снижению обеспеченности молибденом и кобальтом. Особенно плохо переносят повышенную кислотность ризобии вида Sinorhizobium meliloti, которые вступают в симбиоз с люцерной. Внесение азотных удобрений обычно также отрицательно сказывается на фиксации азота. Среди бобовых растений выделяются узко- и широко специфичные хозяева. Ризобии вида Rhizobium galegae вступают в симбиоз только с растениями козлятника, Sinorhizobium meliloti — с люцерной, донником и пажитником, Rhizobium leguminosarum biovar trifolii — с клеверами, Mezorhizobium loti — c лядвенцем, люпином, язвенником. Инокуляция семян бобовых трав высокоэффективными штаммами клубеньковых бактерий повышает урожайность на 11–32%. Сортомикробные системы на основе новых сортов бобовых культур обладают повышенной адаптивностью и способны обеспечивать прибавки урожая не менее 50%. This review is focused on Russian and foreign investigations of nitrogen-fixing ability of perennial legumes. Due to such a property, perennial legumes are the most beneficial forage crops providing cheap feed with high content of valuable crude protein. Nitrogen fixation and assimilation are as important as photosynthesis.On the average perennial legumes fix from 92 to 180 kg ha-1 of atmospheric nitrogen. In Russia perennial legumes growing on farm and natural lands significantly exceed other legumes in nitrogen fixed. In grassland ecosystems legumes transfer up to 34% of fixed nitrogen to gramineous. The effectiveness of nitrogen fixation is affected by soil pH and availability of water and mineral nitrogen. High pH leads to toxic effect of soluble aluminum and manganese and deficiency in molybdenum and cobalt. Sinorhizobium meliloti forming symbiosis with alfalfa significantly suffer from high pH in particular. Nitrogen fertilizers negatively impact nitrogen fixation. Some strains of nodule bacteria have broad host range while other show high specificity only to one plant. For instance, Rhizobium galegae are compatible only with eastern goat’s rue, Sinorhizobium meliloti — alfalfa, melilot and fenugreek, Rhizobium leguminosarum biovar trifolii — clover, Mezorhizobium loti — birdʼs-foot trefoil, lupine, Anthyllis spp. Seed inoculation with highly effective strains of nodule bacteria increases legume yield by 11–32%. New variety-symbiont systems show high resistance to local conditions and provide yield increase of at least 50%.