CC BY
49
210 Кормопроизводство и корма
УДК 635.21:631.8:631.524
Биометрические изменения картофеля (SOLANUM TUBEROSUM) под влиянием наночастицы SiO2
Т.А. Пашинина, А.А. Мушинский, Е.В. Аминова, Д.М. Муслюмова, Т.П. Богадица
ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук»
Аннотация. В последние годы становятся актуальными исследования по влиянию наноме-таллов на состояние почвенных экосистем, в том числе и кремния, который, как известно, положительно влияет на растения в стрессовых ситуациях. Мы впервые изучили воздействие наночастиц SiO2 в концентрациях с геометрической прогрессией (0,03; 0,09; 0,18; 0,21 и 0,36 г/кг) на рост и развитие картофеля (SOLANUM TUBEROSUM). Нами было показано, что на 14 день опыта после обработки клубней энергия прорастания при концентрации НЧ SiO2 0,09 г/кг происходила достоверное увеличение длины ростков на 21,4 % и корней - до 6,8 % относительно контроля. Стимуляция длины корней на 27,8-21,0 % наблюдалась при концентрациях 0,18 и 0,21 г/кг. По результатам полевых исследований максимальная масса стеблей и клубней картофеля наблюдалась при концентрации 0,09 г/кг и 0,18 г/кг SiO2, что подтвердило отсутствие токсических свойств НЧ SiO2.
Ключевые слова: картофель, клубни, оксид кремния, наночастицы, энергия прорастания, продуктивность.
Введение.
На сегодняшний день во многих странах мира наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства [1, 2].
В промышленности расширяются возможности применения кремния в виде наночастиц, так как наночастицы металлов менее токсичны и отличаются пролонгированным воздействием на биологические объекты [3]. На основе наноразмерных частиц кремния созданы биопрепараты нового поколения, которые успешно испытаны в растениеводстве и животноводстве [4], в том числе исследования и выводы ведущих мировых ученых выдвигают свойства кремния на первое место [5-7].
В настоящее время исследования, направленные на изучение стимулирующего и ингиби-рующего воздействия наночастиц на растения и выяснение пороговых доз НЧ, являются актуальными [8, 9]. Диоксид кремния является одним из 10 основных НЧ с объёмом производства более 100 т в год и с каждым годом объёмы его производства продолжают расти [10]. При этом особую актуальность исследования приобретают в связи с тем, что экспонированные нанометаллы в почвах могут влиять как положительно, так и отрицательно на плодородие и продуктивность почвы, а также ставить под угрозу стабильность и функции почвенной экосистемы [9, 11].
Картофель, занимая третье место по объёму производства в мире (после риса и пшеницы), является стратегической культурой и с точки зрения продовольственной безопасности [12, 13]. Клубни картофеля - это конечный продукт в сельском хозяйстве, который развивается в непосредственном контакте с почвой [14], вследствие чего почвенные растворы непосредственно воздействуют на клубни.
Литературные источники обеспечивают достаточное количество работ по чувствительности отдельных представителей сельскохозяйственных растений к НЧ SiO2 [15, 16], в то время как картофель, являющийся продуктом питания, богатым питательными веществами [17], недостаточно изучен в этом отношении [18].
Цель исследования.
Изучение воздействия наночастиц SiO2 на биометрические показатели картофеля.
Кормопроизводство и корма 211
Материалы и методы исследования.
Объекты исследования. Клубни картофеля (Solanum tuberosum) сорта «Ицил».
Схема эксперимента. Полевые и лабораторные эксперименты на клубнях и растениях картофеля проводились за период с 2017 по 2018 гг. Закладка опыта проводилась на орошаемом участке п. Краснохолм Илекского района Оренбургской области.
В исследованиях использовали наночастицы оксида кремния (НЧ SiO2) размером 30,7±0,3 нм, Z-потенциал - 27±0,12 мВ, полученные методом плазмохимического синтеза (ООО «Передовые порошковые технологии», г. Томск, Россия). Оценка безопасности наноматериалов в лаборатории проводилась в 5 концентрациях с геометрической прогрессией (0,03; 0,09; 0,18; 0,21 и 0,36 г/кг картофеля) и в 3-х повторностях.
Перед началом эксперимента клубни картофеля дезинфицировали в 0,01 % KMnO4 в течение 5 минут, после промывали дистиллированной водой, выкладывали в пластиковые контейнеры по 10 шт.
Отдельно готовили суспензии НЧ SiO2, для чего растворяли точные навески препарата в дистиллированной воде (до конечных концентраций 0,03; 0,09; 0,18 и 0,21 г/кг по кремнию) и обрабатывали в ультразвуковом диспергаторе в течение 30 минут. Затем образцы клубней заливали 100 мл свежеприготовленными суспензиями НЧ SiO2, встряхивали контейнер в течение 5 минут и сливали суспензию.
В качестве контроля использовали необработанные клубни НЧ (0 г/кг).
После этого контейнеры с клубнями проращивали в климатической камере при температуре +23±1 °С и влажности 83±2 % в течение 28 дней.
Параллельно проводился полевой опыт. Обработанные той же концентрацией клубни картофеля были высажены 16 мая в открытый грунт в 4-кратной повторности по 10 клубней. Закладка опыта проводилась согласно методике полевого опыта Б.А. Доспехова [19] и методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур [20]. Площадь делянки - 42 м2 (30^1,4). Элементы структуры урожая картофеля определяли на 56 и 70 сутки.
Почва полевого опытного участка - чернозём южный, с содержанием гумуса в пахотном слое 3,2 %, с низкой обеспеченностью подвижными формами азота - 6,35 мг/100 г почвы, фосфора -8,63...9,96 мг/100 г почвы и средним обменным калием - 22 мг/100 г почвы.
Оборудование и технические средства. Диспергатор УЗДН, f-35 кГц, N-300 Вт (Россия), климатическая камера (POL-EKO-APARATURA SP.J., Польша). Учёт массы клубней с куста производили весами ВЭТ-6-1С (Россия). Полив осуществляли дождевальной установкой ДМ-100 «Фрегат» (Россия), посадку - картофелесажалкой GRIMME, GL 34 T четырёхрядная («Grimme Landmaschinenfabrik GmbH & Co. KG», Германия).
Статистическая обработка. При обработке экспериментальных данных использовали метод дисперсионного анализа с помощью офисного программного комплекса «Microsoft Office» с применением программы «Excel» («Microsoft», США) с обработкой данных в «Statistica 6.0» («Stat Soft Inc.», США).
Результаты исследований.
Зарубежные авторы считают, что показатели прорастания семян растений, а также их устойчивость к экзогенным стрессовым факторам являются косвенными параметрами [18]. Результаты вегетационных исследований показали, что во время прорастания клубней при их обработке SiO2 концентрацией 0,09 г/кг происходило достоверное увеличение длины ростков на 21,4 % (Р<0,05) и корней - до 6,8 % относительно контроля (рис. 1). При концентрации 0,36 г/кг металл оказывал отрицательное воздействие на энергию прорастания клубней и длину ростков в сравнении с контролем на 50 %. На остальных концентрациях длина ростка была приближена к контролю. Напротив, стимуляция длины корней на 27,8-21,0 % наблюдалась при концентрациях 0,18 и 0,21 г/кг нанометалла в сравнении с контролем. На 21 день опыта почти на всех вариантах увеличилась длина ростков в сравнении с контролем от 16,6 до 55,3 %.
212
Кормопроизводство и корма
3,5
5 ' « 3
« 2 5
а '
¡3 2
6 1,5 se
Я 1
i| 0,5 ^ 0
#
□ 14 сутки
□ 21 сутки
Ф Ф П> -Ф
□ 14 сутки
□ 21 сутки
& & $
У Qi Qi С O-i
Концентрации НЧ SiO2, г/кг
Концентрации НЧ SiO2, г/кг
Рис. 1 - Биометрические показатели картофеля после воздействия наночастиц оксида кремния
По результатам полевых исследований, максимальная масса стеблей на 56 сутки после посадки наблюдалась при концентрации НЧ SiO2 0,18 г/кг и 0,21 г/кг, соответственно - 520,6 г и 532,9 г, что превышало контроль на 21,1 % и 24,0 % (рис. 2). Однако на 70 сутки наибольшая масса стеблей отмечалась в вариантах с концентрациями НЧ SiO2 0,09 г/кг и 0,18 г/кг и превышала контроль в 2 раза.
г 1200 Ы
« 1000 v
4 800 ю
£ 600
g 400
| 200
5 0
О 56 суток □ 70 суток
Рис. 2 - Масса стеблей с одного растения, г
Примечание: 1 - контроль (без обработки), 2 - концентрация SiO2 0,03 г/кг,
3 - концентрация SiO2 0,09 г/кг, 4 - концентрация SiO2 0,18 г/кг, 5 - концентрация SiO2 0,21 г/кг, 6 - концентрация SiO2 0,36 г/кг
Анализируя данные по массе листьев, следует отметить, что наибольшее значение наблюдалось при концентрации SiO2 0,21 г/кг и превышало показатели контроля на 267,8 % (Р<0,05).
500
400 300 200 100 0
2 3 4 5 □ 56 суток d 70 суток
Рис. 3 - Масса листовой поверхности с одного растения, г
Примечание: 1 - контроль (без обработки), 2 - концентрация SiO2 0,03 г/кг,
3 - концентрация SiO2 0,09 г/кг, 4 - концентрация SiO2 0,18 г/кг, 5 - концентрация SiO2 0,21 г/кг, 6 - концентрация SiO2 0,36 г/кг
1
2
3
4
5
6
6
1
Кормопроизводство и корма
213
Исследования показали, что максимальное количество клубней отмечено как на 56 сутки, так и на 70 в контрольном варианте - 12 и 15 штук соответственно (рис. 4). Анализируя данные, следует отметить, что статистически недостоверно отличались варианты с концентрациями НЧ SiO2 0,03.. .0,36 г/кг от контроля.
за =
ю
^
П »
о а н
и «
Т S
п
о
И
20
15
10
й
Ж
1 2 3 4 5 6
□ 56 суток П70 суток
Рис. 4 - Количество клубней с одного растения, шт
Примечание: 1 - контроль (без обработки), 2 - концентрация SiO2 0,03 г/кг,
3 - концентрация SiO2 0,09 г/кг, 4 - концентрация SiO2 0,18 г/кг, 5 - концентрация SiO2 0,21 г/кг, 6 - концентрация SiO2 0,36 г/кг
Через 56 суток после посадки средняя масса одного клубня при концентрации НЧ SiO2 0,18 г/кг и 0,21 г/кг соответственно увеличилась на 18,7 г и 17,7 г (Р<0,05) относительно контроля. На 70 сутки достоверное увеличение (Р<0,05) массы клубней установлено при концентрации SiO2 0,09 г/кг (358,2 г) и 0,18 г/кг (398,4 г) (рис. 5).
500
b
зН 400
и
5
ю ^ 300
п
200
es
100
0
2 3
□ 56 суток
□ 70 суток
Рис. 5 - Средняя масса клубней с одного растения, г
Примечание: 1 - контроль (без обработки), 2 - концентрация SiO2 0,03 г/кг,
3 - концентрация SiO2 0,09 г/кг, 4 - концентрация SiO2 0,18 г/кг, 5 - концентрация SiO2 0,21 г/кг, 6 - концентрация SiO2 0,36 г/кг
5
0
1
5
6
Таким образом, более высокая концентрация НЧ SiO2 (0,36 г/кг) вызывала снижение массы стеблей, листьев и продуктивности картофеля.
Обсуждение полученных результатов.
Основными физиологическими показателями растений токсического воздействия НЧ являются энергия прорастания, удлинение корней, биомассы и количество листьев [21]. В своей работе Yang Jie [22] указывает, что некоторые НЧ могут иметь существенные негативные последствия, такие как снижение всхожести семян и подавление роста растений, и даже могут вызвать
214 Кормопроизводство и корма
гибель. Ряд исследователей [23, 24] также нашли негативные последствия НЧ на рост растений, в том числе на всхожесть семян, длину ростков, биомассу и экспрессию генов.
Результаты вегетационных и полевых исследований показали, что обработка клубней кремнезёмом в наноформе в целом улучшает ростовые параметры картофеля, за исключением концентрации 0,36 г/кг. В подтверждение этого имеется ряд работ, частично согласующихся с полученными нами данными [25-27]. В своих исследованиях учёные [28] наблюдали, что высокая доза кремния вызвала снижение высоты растений, как и в нашем эксперименте. Таким образом, подчёркивается, что проявление биологических эффектов НЧ SÍO2 напрямую зависит от концентрации и химической природы наноразмерного металла [8, 9, 29], и от вида растений [30].
Возможно, что стимулирование развития надземных и подземных органов Solánum tuberosum наночастицами SÍO2 связано с ролью кремния как биогенного макроэлемента в растениях.
Выводы.
Обобщая полученные результаты по биологической активности НЧ оксида кремния в отношении модельного растения Solánum tuberosum, можно заключить, что на начальных этапах нанометалл способствовал торможению роста растений, но к концу экспозиции, в вегетационном и в полевом опыте, оказывал стимулирующее действие на рост как надземных, так и подземных органов растений при концентрации 0,18 г/кг.
Исследования выполнены в соответствии с планом НИР на 2018-2020 гг. ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН (№ 0761-2018-0032)
Литература
1. Ling Y., Yatts D. Particle Surface Characteristics May Play an Important Role in Phytotoxicity of Aluminia Nanoparticles // Toxicology Letters. 2005. 158. P. 122-132.
2. Uptake, translocation, and accumulation of manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants / H. Zhu, J. Han, J.Q. Xiao & Y. Jin // Journal of Environmental Monitoring. 2008. 10(6). P. 713717.
3. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.
4. Закономерности строения и биологической активности нанокристаллических порошков железа / И.П. Арсентьева, Э.Л. Дзидзигури, Н.Д. Захаров, Г.В. Павлов, Б.К. Ушаков, Г.Э. Фолманис, А.А. Арсентьев // Перспективные материалы. 2004. № 4. С. 64-68.
5. Mechanisms of silicon-mediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: a review / Y. Liang, W. Sun, Y-G Zhu, P. Christie // Environmental Pollution. 2007. 147. P. 422-428.
6. E. Epstein. Silicon: its manifold roles in plants // Annals of Applied Biology. 2009. 155. P. 155160.
7. О подвижных формах кремния в растениях / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова, А.А. Косо-брюхов, К.Я. Биль // Доклады академии наук РАН. 2008. Т. 418. № 2. C. 279-281.
8. Effects of Cerium and Titanium Oxide Nanoparticles in Soil on the Nutrient Composition of Barley (Hordeum vulgare L.) Kernels / F. Poscic, A. Mattiello, G. Fellet, F. Miceli, L. Marchiol // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2016. Jun 9. 13(6). 577. doi: 10.3390/ijerph13060577.
9. Arbuscular mycorrhizae alleviate negative effects of zinc oxide nanoparticle and zinc accumulation in maize plants-A soil microcosm experiment / F. Wang, X. Liu, Z. Shi, R. Tong, C.A. Adams & X. Shi // Chemosphere. 2016. V. 147. P. 88-97.
10. Nanotechnology in the real world: redeveloping the nanomaterial consumer products inventory / M.E. Vance, T. Kuiken, E.P. Vejerano, S.P. McGinnis, M.F. Jr. Hochella, D. Rejeski et al // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2015. V. 6. P. 1769-1780. doi.org/10.3762/bjnano.6.181.
Кормопроизводство и корма 215
11. Simonin M., Richaume A. Impact of engineered nanoparticles on the activity, abundance, and diversity of soil microbial communities: a review // Environmental Science and Pollution Research. 2015. V. 22. P.13710-13723.
12. In vitro screening of salt tolerance in potato (Solanum tuberosum L.) varieties / M.S. Zaman, G.M. Ali, A. Muhammad, K. Farooq, I. Hussain // Sarhad Journal of Agriculture. 2015. V. 31. P. 106-113.
13. Orange Flesh Sweet Potatoes (Ipomea batatas) Consumption for Food Diversification and Nutritional Security of Cocoa Producers' Population in Nawa Region, Côte d'Ivoire / A.E. Agbo, B.A. Yoboué, A.G. Konan, C. Kouamé, K. Brou and G.G. Tiahou // Journal of Food Security. 2018. 6(3). P. 107-113. doi: 10.12691/jfs-6-3-2.
14. Silicon fertilization of potato: expression of putative transporters and tuber skin quality / V.K.R Vulavala, R. Elbaum, U. Yermiyahu, E. Fogelman, A. Kumar, I. Ginzberg // Planta. 2015. V. 243(1). P. 217-229. doi.org/10.1007/s00425-015-2401-6.
15. Comparison of silicon nanoparticles and silicate treatments in fenugreek / S. Nazaralian, A. Majd, S. Irian, F. Najafi, F. Ghahremaninejad, T. Landberg, M. Greger // Plant Physiology and Biochemistry. 2017. V. 115. P. 25-33. doi.org/10.1016/j.plaphy.2017.03.009.
16. Effects of silicon nanoparticles on molecular, chemical, structural and ultrastructural characteristics of oat (Avena sativa L.) / F. Asgari, A. Majd, P. Jonoubi, F. Najafi // Plant Physiology and Biochemistry. 2018. V. 127. P. 152-160.
17. Potential of golden potatoes to improve vitamin A and vitamin E status in developing countries / C. Chitchumroonchokchai, G. Diretto, B. Parisi, G. Giuliano, M.L. Failla // PLoS One. 2017. V. 12(11). e0187102. doi.org/10.1371/journal.pone.0187102.
18. Salah M.H., Gowayed H.S.M., Al-Zahrani E.M.R. Metwali. Improving the Salinity Tolerance in Potato (Solanum tuberosum) by Exogenous Application of Silicon Dioxide Nanoparticles // International Journal of Agriculture and Biology. 2017. V. 19. P. 183-194. doi: 10.17957/IJAB/15.0262.
19. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (с основами статистической обработки результатов исследований). 4-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1985. 354 с.
20. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. М.: Колос, 1975. Вып. 4. 182 с.
21. Developmental phytotoxicity of metal oxide nanoparticles to Arabidopsis thaliana / C.W. Lee, S. Mahendra, K. Zodrow, D. Li, Y.C. Tsai, J. Braam, P.J.J. Alvarez // Environmental Toxicology and Chemistry. 2010. V. 29(3). P. 669-675.
22. J. Yang, Y. Zhang, F. Dong Neural word segmentation with rich pretraining // ACL. Vancouver, 2017. P. 839-849.
23. CuO and ZnO nanoparticles: phytotoxicity, metal speciation, and induction of oxidative stress in sand-grown wheat / C.O. Dimkpa, J.E. McLean, D.E. Latta, E. Manangon, D.W. Britt, W.P. Johnson, M.I. Boyanov, A.J. Anderson // Journal of Nanoparticle Research. 2012. V. 14(9). P. 1-15.
24. In vitro study of lysis of cell wall preparation from phomopsis vexans by lytic enzyme from some biocontrol agents / S.K. Ghosh, S. Pal, S. Banerjee, N. Chakraborty // International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. 2015. V. 4(10). P. 153-157.
25. Influência de silicato ecalcârio na nutriçâo, produtividade e qualidade da batata sob deficiência hidrica / A.L. Pulz, C.A.C. Crusciol, L.B. Lemos, R.P. Soratto // Rev Bras Ciênc Solo. 2008. V. 32. P.1651-1659.
26. Wheat genotypes differed significantly in their response to silicon nutrition under salinity stress / M.A. Tahir, A. Rahmatullah, T. Aziz, M. Ashraf // Journal of Plant Nutrition. 2010. V. 33. P. 1658-1671.
27. Stampoulis D., Sinha S.K., White J.C. Assay-Dependent Phytotoxicity of Nanoparticles to Plants // Environ Science and Technology. 2009. V. 43(24). P. 9473-9479.
28. Silicon supply in soilless cultivations of zucchini alleviates stress induced by salinity and powdery mildew infections / D. Savvas, D. Giotis, E. Chatzieustratiou, M. Bakea, G. Patakioutas // Environmental and Experimental Botany. 2009. V. 65(1). P. 11-17.
216 Кормопроизводство и корма
29. Siddiqui M.H., Al-Whaibi M.H. Role of nano-SiO2 in germination of tomato (Lycopersicum esculentum seeds Mill.) // Saudi Journal of Biological Sciences. 2014. V. 21. P. 13-17. doi.org/10.1016/j.sjbs.2013.04.005.
30. Uptake, transport, distribution and bio-effects of SiO2 nanoparticles in Bt-transgenic cotton / V.N. Le, Y. Rui, X. Gui, X. Li, S. Liu, Y. Han // Journal of Nanobiotechnology. 2014. V. 5. P. 12-50. doi.org/10.1186/s12951-014-0050-8.
Пашинина Татьяна Александровна, лаборант-исследователь отдела картофелеводства ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», 460051, г. Оренбург, пр. Гагарина 27/1, тел.: 8-9228-95-00-57, e-mail: tanya-302@mail.ru
Мушинский Александр Алексеевич, доктор сельскохозяйственных наук, заведующий отделом картофелеводства ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротех-нологий РАН», 460051, г. Оренбург, пр. Гагарина 27/1, тел.: 8-905-819-35-92, e-mail: san2127@yandex.ru
Аминова Евгения Владимировна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела картофелеводства ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», 460051, г. Оренбург, пр. Гагарина 27/1, тел.: 8-912-841-19-31, e-mail: aminowa.eugenia2015@yandex.ru
Муслюмова Дина Марсельевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Испытательного центра ЦКП ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)77-39-97, e-mail: icvniims.or@mail.ru
Богадица Татьяна Павловна, специалист-техник Испытательного центра ЦКП ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)77-39-97, е-mail: icvniims.or@mail.ru
Поступила в редакцию 22 октября 2018 года
UDC 635.21:631.8:631.524
Pashinina Tatyana Aleksandrovna, Mushinsky Alexander Alexeevich, Aminova Evgenia Vladimirovna, Muslyumova Dina Marselyevna, Bogaditsa Tatiana Pavlovna
FSBSI «Federal Research Center for Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences», e-mаil: san2127@yandex.ru
Biometric changes of potatoes (SOLANUM TUBEROSUM) under SiO2 nanoparticles influence Summary. In recent years, the studies of nanometals effect, including silicon, which, as is known, has a positive effect on plants in stressful situations, on soil ecosystems state become topical. We first studied effect of SiO2 nanoparticles in concentrations with a geometric progression (0.03; 0.09; 0.18; 0.21 and 0.36 g/kg) on potatoes growth and development (SOLANUM TUBEROSUM). We have evidenced that on the 14th day of experiment after tubers treatment the germination energy at a NP SiO2concentration of 0.09 g/kg there was a significant increase in the length of sprouts by 21.4 % and roots - up to 6.8 % relative to control. Root length stimulation by 27.8-21.0 % was observed at concentrations of 0.18 and 0.21 g/kg. According to the results of field studies, the maximum mass of potato stalks and tubers was observed at a concentration of 0.09 g/kg and 0.18 g/kg of SiO2 which confirmed the absence of toxic properties of SiO2 NPs.
Key words: potato, tubers, silicon oxide, nanoparticles, germination energy, productivity.
