Study of legume-rhizobia symbiosis in soybean for agroecosystem resilience

Abstract

Research into innovative methods of regulating legume-rhizobia symbiosis is crucial for enhancing nitrogen fixation, thereby promoting soil health and increasingcrop yields. This contributes to sustainable agriculture by reducing the need forchemical fertilisers and enhancing the resilience of agroecosystems. The study aimedto determine the impact of seed inoculation, environmental conditions, and varietal characteristics of soybean varieties on biological nitrogen accumulation. The research was conducted under the environmental conditions of Kyiv, Poltava, and Vinnytsia regions from 2010 to 2021. Cultivation practices for the soybean varieties adhered to standard regional agronomic guidelines. The findings detail the effects of seed inoculation on the dynamics of formation and productivity of soybean-rhizobial symbiosis in soils with existing native rhizobial populations. The nitrogen-fixing potential of soybean varieties under inoculation was identified, showing that inoculation enhances the efficiency of the soybean symbiotic system. It has been demonstrated that, across varied environmental conditions, seed inoculation with Bradyrhizobium japonicum enhances the formation and functioning of the soybean symbiotic apparatus, even in soils with existing native populations of nodule bacteria. The efficacy of seed inoculation is influenced by the hydrothermal conditions of the year, environmental factors, and soybean variety. Seed inoculation contributes to the development of a greater mass of active nodules on plant roots, positively impacting nitrogen fixation. The highest nitrogen fixation levels were observed in the soybean varieties Ametyst, Artemida, and Hoverla across different environmental conditions. Seed inoculation increased the amount of biologically fixed nitrogen in these varieties by 33.9–36.1 kg/ha. Varieties Ametyst, Artemida, and Hoverla showed a particularly strong response to inoculation with nitrogen-fixing bacteria and are recommended for cultivation in diverse environmental conditions. Innovative approaches to enhancing the efficiency of the soybean legume-rhizobia symbiosis through the use of biological inoculants based on nitrogen-fixing bacteria will enable the development of biologically-oriented cultivation technologies, promoting the resilience of agroecosystems.

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.