CC BY
20
УДК 581.1+631
Е. В. Мищенко1, А. Н. Никитин2
Магистр биологических наук, аспирант ГНУ «Институт радиобиологии НАН РБ», г. Гомель, Республика Беларусь Научный руководитель: Никитин Александр Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук 2Кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией радиоэкологии, ГНУ «Институт радиобиологии НАН РБ», г. Гомель, Республика Беларусь
ИЗМЕНЕНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ ЯРОВОЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КРАЙНЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
В работе представлены результаты эксперимента по изменению реакции проростков пшеницы яровой на засоление почвы после воздействия ЭМИ с частотами 41,30; 42,00; 42,25; 52,95 ГГц. Состояние проростков оценивалось по основным морфометрическим показателям: длине и массе корешка и побега. Показано, что обработка семян пшеницы яровой до замачивания ЭМИ КВЧ частотой 42,00 ГГц продолжительностью 60 мин с мощностью потока 100 мкВт см2 повышает устойчивость растений к засолению почвы.
Ключевые слова: ЭМИ КВЧ, яровая пшеница, развитие, стресс.
Введение
Одной из наиболее актуальных экологических проблем является деградация почв, то есть совокупность процессов, которые приводят к изменению функций почвы, количественному и качественному ухудшению её свойств, постепенному ухудшению и утрате плодородия. Одним из признаков серьезной деградации почвы является засоление. Существование такой проблемы носит ярко выраженный глобальный характер. Авторы [1] отмечают, что по данным различных исследователей, более 10 % всех пахотных земель планеты подвержены засолению, но следует отметить, что статистические данные по засолению пахотных почв имеют существенную неопределенность. Причем отмечается [2], что территории, подверженные естественному засолению, занимают значительно большие площади, чем засоляется в процессе проведения орошаемого земледелия. Засоление почвы - это многофакторное явление и достаточно сложный процесс, который по-разному протекает и изменяется в зависимости от ландшафта. В Евразийском регионе данная проблема в значительной степени вызвана чрезмерной эксплуатацией природных ресурсов, неустойчивыми и несовершенными методами ведения сельского хозяйства и землепользования, а также неправильным управлением водными ресурсами. Последние десятилетия ситуация усугубляется еще и изменением климата, увеличивающим частоту экстремальных засух и трансформацией фенологических явлений. По оценкам исследователей [3], в Евразийском регионе общая площадь засоленных земель составляет порядка 242 млн га. Такие земли встречаются в основном в Казахстане, России, Туркменистане, Узбекистане, Украине и Азербайджане. На фоне других стран проблема засоленных почв в Армении, Грузии, Республике Беларусь не велика. Многие из факторов, приводящих к деградации земель ряда территорий в Евразийском регионе, имеют долгую историю и унаследованы с советских времён. Неверный подход к организации орошения привёл к высыханию Аральского моря, а песчаные и соляные бури и разнос пестицидов усугубили загрязнение почв в районах, прилегающих к морю. Устаревшие системы ирригации и дренажа привели к значительному вторичному засолению почв во время полива. Во многих случаях было разрешено крупномасштабное агропастбищное животноводство, что в сочетании с деградацией мест водопоев для скота запустило процессы деградации пастбищных угодий вокруг поселений и оставшихся водопоев. Таким образом, во всех странах существуют серьезные проблемы в использовании и мелиорации засоленных почв. В глобальном плане требуется принятие решений о разработке совместных программ для действий по достижению комплексного управления, сохранения и рационального использования природных ресурсов с упором на устойчивое управление засоленными почвами и водами [3].
В Республике Беларусь проблемы широкого засоления земель практически нет. Это общая проблема отдельных регионов, актуальная для участков с проведением неправильной системы
© Мищенко Е. В., Никитин А. Н., 2020
орошения на определенных типах почв и промышленной разработки месторождений полезных ископаемых. Следует упомянуть эксплуатацию одного из самых крупных месторождений калийной соли в мире (Старобинское месторождение), а также широкое производство калийных удобрений. Значительные площади исходных ландшафтов на этих участках подверглись коренной трансформации. Ежегодно на земной поверхности складируется примерно от 17 до 18 млн тонн твердых галитовых отходов и около 2,0-2,2 млн тонн шламов. За все время эксплуатации месторождения в солеотвалах накопилось около 600 млн тонн твердых отходов, занимающих площадь свыше 550 га и более 63 млн тонн жидких глинисто--солевых отходов в шламохранилищах на площади около 950 га, но переработка и использование тех и других отходов незначительная. Высокое содержание легкорастворимых в воде солей (до 95 %) является отличительной особенностью галитовых и шламовых отходов. При воздействии атмосферных осадков на солеотвалы и шламохранилища образуются и накапливаются хлориднонатриевые рассолы, что приводит к химическому загрязнению почв с тенденцией расширения площадей засоления. Кроме того, причинами распространения засоления на значительные территории являются ветровая и водная эрозии, а также выбросы соляной пыли от обогатительных фабрик, что усиливает общую картину засоления прилегающих земель. Оседая на почве, соляные выбросы загрязняют верхний плодородный слой [4].
В городах Беларуси проблема засоления, как правило, является результатом зимней обработки дорожного покрытия против обледенения. Преимущественное использование песчано-галитных смесей в качестве антигололедного агента негативно сказывается на городских зеленых насаждениях. Отмечается высокая зависимость состояния древостоев от превышения основных параметров загрязнения городских почв [5], в Минске происходит ухудшение состояния посадок деревьев до категории «ослабленные» и «поврежденные», особенно на улицах с высокой интенсивностью автотранспортной нагрузки.
Процесс накопления солей в почве относится к химической деградации почв и ведет к ухудшению состояния и гибели растений. Это обусловлено, в первую очередь, повышением осмотического давление почвенного раствора, в результате чего нарушается поступление воды и элементов питания в ткани, увеличивается транспирация, ухудшается ассимиляция, дыхание и образование сахаров, что приводит к увяданию и гибели растений.
На сегодняшний день существует большое количество конструктивных подходов к ослаблению данной экологической проблемы. Между тем, поиск новых ресурсосберегающих технологий является одной из актуальных задач, стоящих перед современной промышленностью и сельским хозяйством всех стран. Часто подобные технологии основываются на эффектах воздействия физических факторов. Например, особое внимание исследователи уделяют изучению воздействия электромагнитных излучений различных диапазонов [6]. Отмечается, что высокочастотные неионизирующие излучения малой интенсивности способны вызвать у растений специфические реакции, такие как многочисленные изменения метаболической активности, экспрессии генов, повышение общей резистентности растений к неблагоприятным факторам [7].
Целью настоящего исследования являлся поиск оптимальных режимов воздействия электромагнитных излучений миллиметрового диапазона на растительные организмы для повышения их адаптационного потенциала, общей резистентности и продуктивности. На основании ранее полученных данных [8] в данном исследовании исследовались эффекты излучения крайне высокой частоты (30-300 ГГц) нетепловой интенсивности, миллиметрового диапазона (1-10 мм).
Методы исследования. Объектом исследований выбрана пшеница яровая. Пшеница относится к семейству Мятликовые (Poaceae), представители которого обычно входят в состав травосмесей, используемых при фиторемедиации техногенно нарушенных территорий [9].
На начальном этапе эксперимента проанализирована энергия прорастания (Епрор., %). Она характеризует способность семян давать в полевых условиях дружные и ровные всходы [10]. Лабораторная всхожесть определялась в ходе проращивания семян при оптимальной температуре в 24 °С и в течение 7-8 суток в соответствии с ISO 11269-2 [11].
Ранее полученные данные позволили отобрать режимы воздействия ЭМИ КВЧ, повышающие общую резистентность растений: частоты 41,30; 42,00; 42,25; 52,95 ГГц [8], облучение перед замачиванием семян и через 24 часа после начала замачивания, продолжительность облучения -60 мин; мощность потока ЭМИ - 100 мкВт/см2.
Состояние проростков оценивалось по следующим показателям: всхожесть (%); длина побега (см); длина зародышевого корешка (см); масса проростка (г). На основании предварительных
экспериментов была выбрана концентрация №С1 в почве 0,8 г/кг, поскольку она вызывает значимые изменения морфометрических показателей проростков, но не приводила к их гибели.
Почва для проращивания семян отобрана на участке сельскохозяйственных угодий рядом с г. Гомелем. Ее агрохимический анализ выполнен до начала эксперимента. Используемая в эксперименте почва характеризуется близкой к нейтральной среде (рН - 6,17), избыточным содержанием подвижного калия (К2О - 1180 мг/кг), очень высоким содержанием подвижного фосфора (Р2О5 - 1424 мг/кг), очень высоким содержанием обменного кальция (Са - 2668 мг/кг), повышенным содержанием обменного магния (М^ - 251 мг/кг) и очень высоким содержанием гумуса (8,97 %). Таким образом, учитывая интервалы оптимальных параметров агрохимических показателей дерново-подзолистых супесчаных почв, можно охарактеризовать агрохимические показатели почвы как оптимальные. №С1 вносился в почву в растворенном состоянии однократно при начальном увлажнении.
В каждую чашку Петри на поверхность почвы рандомизированно помещалось по 20 семян. Чашки закрывались крышкой и вместе с семенами помещались на 5 суток в термостат ТС-1/80 СПУ, где поддерживалась постоянная температура 23 °С. По окончании срока экспозиции проростки снимались с субстрата и очищались от его остатков.
Объем выборки в каждом варианте составил 60 проростков. Каждый экспериментальный вариант выполнялся в трехкратной повторности (в трех различных чашках Петри по 20 семян).
В каждой чашке определялся процент проросших семян. У каждого проростка в свежем состоянии определялись основные морфометрические параметры.
Для каждого определяемого параметра определялись среднее арифметическое и стандартное квадратичное отклонение. Оценка значимости различий для длины надземных и подземных частей, массы проростков производилась с помощью ^критерия Стьюдента и и-теста Манна-Уитни.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты эксперимента показали, что облучение как сухих, так и предварительно замоченных семян яровой пшеницы ЭМИ КВЧ частотой 41,30 ГГц не изменяет реакцию растений на присутствие подавляющей рост концентрации №С1 в субстрате. Лишь весовые показатели предварительно замоченных семян, в особенности масса корешка, положительно отреагировали на данный вариант предпосевной обработки при последующем прорастании на засоленной почве.
Анализ размеров надземных и подземных органов 5-дневных проростков показал, что воздействие ЭМИ КВЧ частотой 42,00 ГГц до замачивания, продолжительностью 60 мин и мощностью потока 100 мкВтсм2 повышает устойчивость яровой пшеницы к засолению почвы на ранних этапах развития. Размер корешка увеличился почти на 30 %, а побега - на 50 % (рисунки 1, 2). При этом масса побега увеличилась незначительно, а масса корешка - уменьшилась. Следует отметить, что размеры подземных и надземных органов проростка несколько уменьшаются при аналогичном варианте воздействия, но проращивании на незасоленной почве.
4,5 4.0 3.5
30 %»
н
ъ 2.0
1.0 0.5 0.0
Рисунок 1. - Влияние ЭМИ КВЧ 42,00 ГГц до замачивания и №С1 на длину побега 5-дневного проростка пшеницы. Условные обозначения: концентрация в г/кг, частота облучения в ГГц
Г
Ш.
(0,0,0.0) (0,0,43.0) (0,3,0,0) (0,8, 4?.0)
Вариант
Рисунок 2. - Влияние ЭМИ КВЧ 42,00 ГГц до замачивания и №С1 на длину корешка 5-дневного проростка пшеницы. Условные обозначения: концентрация №С1 в г/кг, частота облучения в ГГц
Снятие эффекта засоления при облучении предварительно замоченных семян ЭМИ КВЧ частотой 42,00 ГГц проявляется лишь в незначительной степени, если принимать в расчет размеры надземных и подземных органов.
Облучение семян ЭМИ КВЧ частотой 42,25 ГГц до замачивания не изменяет размеры надземных и подземных органов 5-дневных проростков пшеницы на засоленной почве. Не изменяется и масса побега. Однако масса корешков заметно возрастает при данном типе воздействия как на условно чистой, так и на засоленной почве. Обработка предварительно замоченных семян ЭМИ КВЧ частотой 42,25 ГГц положительно сказывается на изменении устойчивости проростков яровой пшеницы к засолению субстрата. Об этом свидетельствует положительная реакция как размеров надземных (рисунок 3) и подземных органов, так и массы корешка. Масса побега при этом не претерпевает существенных отклонений от положительного контроля.
Облучение ЭМИ КВЧ частотой 52,95 ГГц действует угнетающе на прорастающие семена яровой пшеницы, причем отрицательное действие усиливается на фоне засоленного субстрата. Однако масса корешка положительно отреагировала на совместное действие засоления и предварительного облучения сухих семян ЭМИ КВЧ частотой 52,95 ГГц. Облучение ЭМИ КВЧ частотой 52,95 ГГц предварительно замоченных семян пшеницы не изменило реакцию проростков на стресс, вызванный засолением почвы.
(0.0.0.0) (0.0,Л2.25> (0.8,0.01 (0.8,42.25)
барИЭНТ
Рисунок 3. - Влияние ЭМИ КВЧ 42,25 ГГц после замачивания и №С1 на длину побега 5-дневного проростка пшеницы. Условные обозначения: концентрация №С1 в г/кг, частота облучения в ГГц
Таким образом, результаты наших экспериментов впервые показали возможность повышения солеустойчивости злаковых растений (на примере пшеницы яровой) на ранних этапах развития с помощью облучения электромагнитными волнами крайне высокой частоты (облучение сухих семян частотой 42,00 ГГц; облучение предварительно замоченных семян частотой 42,25 ГГц).
Ранее Мухаеляном [12] было показано, что при ежедневном облучении проростков пшеницы ЭМИ КВЧ частотами 41,8 ГГц и 51,8 ГГц у растений повышается концентрация протонов, увеличивается проницаемость клеточной мембраны и улучшаются морфометрические параметры.
В эксперименте Мазеца [13] было показано, что облучение семян некоторых лекарственных растений ЭМИ КВЧ диапазоном 53-78 ГГц повышало концентрацию фотосинтетических пигментов и антиоксидантных соединений. В то же время отмечается [14]-[16], что применение электромагнитного излучения для обработки растений в различных фазах развития (от семян и проростков до взрослого растения), может негативно влиять на растительный организм, либо не оказывать на него значимое воздействие [17].
Вероятным механизмом повышения устойчивости проростков пшеницы к засолению почвы в результате воздействия ЭМИ КВЧ может быть активация комплекса ферментов антиоксидантной защиты растительного организма как неспецифическая реакция повышения общей резистентности в ответ на воздействие стресс-фактора. При попадании растения в неблагоприятные условия это позволяет ему лучше к ним адаптироваться, но при прорастании в оптимальных условиях направление части ресурсов на повышение адаптационного потенциала несколько тормозит рост и развитие растения. Данная гипотеза требует дальнейшей проверки.
Заключение
Исследовано влияние ЭМИ КВЧ частот 41,30; 42,00; 42,25; и 52,95 ГГц с мощностью потока 100 мкВт/см2 и продолжительностью воздействия 60 мин на изменение устойчивости пшеницы к засолению почвы. Результаты эксперимента показали, что предпосевная обработка сухих семян пшеницы яровой ЭМИ КВЧ частотой 42,00 ГГц, а также облучение предварительно замоченных семян частотой 42,25 ГГц повышает устойчивость растений к засолению почвы, что выражается в увеличении показателей длины и массы вегетативных органов проростков. Следует отметить, что при прорастании в оптимальных условиях (без засоления почвы) указанный режим предпосевной обработки может оказать отрицательное влияние на темпы развития растений. Эффективность такой обработки более высокая при облучении семян до замачивания.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Shahid, S. A. Soil salinity: historical perspectives and a world overview of the problem / S. A. Shahid, M. Zaman, L. Heng // Guideline for salinity assessment, mitigation and adaptation using nuclear and related techniques. - Cham : Springer International Publishing, 2018. - Soil Salinity. - 2018. - P. 43-53.
2. Гулиев, А. Г. Засоление глобальная экологическая проблема в орошаемом земледелии / Г. А. Гулиев, И. А. Самофалова, Н. М. Мудрых // Пермский аграрный вестник. - 2014. - № 4. - С. 32-43.
3. Handbook for saline soil management / ed.: R. Vargas [etc.] : Russian Federation, 2018. - 144 p.
4. Басалай, И. А. Способы снижения засоления и рекультивации земель в районе деятельности ОАО «Беларуськалий» / И. А. Басалай, Г. В. Бельская // Горная механика и машиностроение. - 2014. -№ 4. - С. 29-34.
5. Кравчук, Л. А. Структура, состояние и устойчивость древесных насаждений в посадках вдоль улиц и дорог в городах Беларуси / Л. А. Кравчук, В. А. Рыжиков // Природопользование. -2011. - № 20. - С. 81-90.
6. Krawiec, M. The use of physical factors for seed quality improvement of horticultural plants / M. Krawiec, A. Dziwulska-Hunek, K. Kornarzynski // Journal of Horticultural Research. - 2018. - Vol. 26. -№ 2. - P. 81-94.
7. Vian, A. Plant responses to high frequency electromagnetic fields / A. Vian [et al.] // BioMed Research International. - 2016. - Vol. 2016. - P. 1-13.
8. Мищенко, Е. В. Изменение адаптационного потенциала пшеницы на ранних этапах развития при воздействии ЭМИ крайне высокой частоты / Е. В. Мищенко, А. Н. Никитин, Д. В. Сухарева // IX Международная научная конференция «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (г. Минск, 24-26 октября 2018г.). - Минск : Колорград, 2018. - С. 94.
9. Ивлев, А. М. Деградация почв и их рекультивация : учеб. пособие / А. М. Ивлев, А. М. Дербенцева. - Владивосток : Изд-во Дальневосточного ун-та, 2003. - 88 с.
10. Халилова, Д. Н. Анализ методов очистки нефтезагрязненных почв при авариях на объектах нефтегазовой отрасли и транспорте / Д. Н. Халилова, Д. М. Юнусова // Бюллетень результатов научных исследований. - 2017. - С. 23-31.
11. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести (с Изменениями N 1, 2) : ГОСТ 12038-84. - Взамен ГОСТ 12038-66 ; введ. в РБ 01.07.86. - М. : Стандартинформ, 2011. - 30 с.
12. Мухаелян, Ж. Г. Изменение некоторых морфометрических показателей проростков пшеницы, облученных ЭМИ КВЧ-диапазона / Ж. Г. Мухаелян // Биолог. журн. Армении. - 2017. -№ 69. - С. 96-101.
13. Влияние различных режимов электромагнитного излучения на содержание пигментов в листьях отдельных кормовых и лекарственных растений / Ж. Э. Мазец [и др.] // Интродукция, сохранение и использование биологического разнообразия мировой флоры : материалы междунар. конф., посвящ. 80-летию Центрального ботанического сада Нац. акад. наук Беларуси, Минск, 19-22 июня 2012 г. : в 2 ч. / Нац. акад. наук Беларуси, Центральный ботанический сад ; редкол.: В. В. Титок [и др.]. - Минск, 2012. - Ч. 2. - С. 124-128.
14. Sharma, V. P. Cell phone radiations affect early growth of vigna radiata (Mung Bean) through biochemical alterations / V. P. Sharma [et al.] // Zeitschrift für Naturforschung C. - 2010. - Т. 65. - № 12. -P. 66-72.
15. Chen, C. Effects of mobile phone radiation on germination and early growth of different bean species / C. Chen // Polish Journal of Environmental Studies. - 2014. - Vol. 23.
16. Scialabba, A. Microwave effects on germination and growth of radish (Raphanus sativus L.) seedlings / A. Scialabba, C. Tamburello // Acta Botanica Gallica. - 2002. - Vol. 149. - № 2. - P. 113-123.
17. Sharma, S. Effect of mobile phone radiation on nodule formation in the leguminous plants / S. Sharma, L. Parihar // Current World Environment. - 2014. - Vol. 9(1). - P. 145-155.
Поступила в редакцию 17.09.2020 E-mail: [email protected]
E. V. Mischenko, A. N. Nikitin
ALTERATION OF SALT STRESS RESISTANCE OF SPRING WHEAT SPROUTS AFTER EXPOSURE TO ELECTROMAGNETIC WAVES OF MM-WAVELENGTH
The article presents the results of an experiment on changing the response of spring wheat seedlings to soil salinity after exposure to EMF with frequencies of 41.30; 42.00; 42.25; 52.95 GHz. The condition of the seedlings was assessed according to the main morphometric parameters: the length and weight of roots and shoots. It is shown that the treatment of spring wheat seeds before soaking with EMF EHF frequency 42.00 GHz for 60 min. with a flow rate of 100 ^W cm2 increases the resistance of plants to soil salinity.
Keywords: EMF EHF, spring wheat, growth, stress.
