CC BY
27
Оптимизация применения нанокремния на Solanum tuberosum L.
Е.В. Аминова, к.с.-х.н., А.А. Мушинский, д.с.-х.н., ФГБГУ ФНЦ БСТ РАН
В наши дни во многих странах мира нано-материалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства [1].
В промышленности расширяются возможности применения кремния в виде наночастиц (далее НЧ) [2]. На основе наноразмерных частиц кремния созданы биопрепараты нового поколения, которые успешно испытаны в растениеводстве и животноводстве [3]. Выводы ведущих мировых ученых выдвигают свойства кремния на первое место [4]. При улучшении кремниевого питания повышается эффективность фотосинтеза и активность корневой системы растений.
Сегодня исследования сконцентрированы на изучении стимулирующего и ингибирующего воздействия наночастиц на растения; выяснение пороговых доз НЧ является актуальным [5]. Диоксид кремния — один из 10 основных НЧ с объёмом производства более 100 т/год, и с каждым годом эти объёмы продолжают расти [6]. При этом особая актуальность исследования приобретается в связи с тем, что экспонированные наноматериалы в почвах могут влиять как положительно, так и отрицательно на их плодородие и продуктивность, а также ставить под угрозу стабильность и функции почвенной экосистемы [7].
Картофель является стратегической культурой и занимает третье место по объёму производства в мире (после риса и пшеницы) [8]. Немаловажно отметить и то, что клубни картофеля — это конечный продукт в картофелеводстве, который развивается в прямом контакте с почвой, вследствие чего почвенные растворы непосредственно воздействуют на клубни.
Написано немало работ по проблеме чувствительности отдельных представителей сельскохозяйственных растений к наночастицам SiO2. В то же время проблема их воздействия на картофель, являющийся продуктом питания, богатый питательными веществами, недостаточно исследована.
Цель исследования заключалась в изучении действия наночастиц оксида кремния на морфологические параметры растений Solanum tuberosum L.
Материал и методы исследования. В качестве объекта исследования были использованы клубни картофеля сорта Ицил. В исследовании использовали наночастицы оксида кремния (НЧ SiO2) размером 30,7±0,3 нм, Z-потенциал — 27±0,12 мВ,
полученные методом плазмохимического синтеза
000 «Передовые порошковые технологии» (Россия, г. Томск).
Полевые и лабораторные эксперименты на клубнях и растениях картофеля проводили в 2017—2018 гг. Наночастицы SiO2 готовили согласно ТУ 931800-4270760-96, на аналитических весах взвешивали навески в дозах 30, 90, 180, 210 и 360 мг и растворяли в 500 мл дистиллированной воды с последующим диспергированием в ультразвуковом диспергаторе (УЗДН, f-35 кГц, N-300 Вт, Россия) в течение 30 мин. В качестве контроля использовали необработанные клубни. Всего было рассмотрено шесть вариантов в трёхкратной повторности:
1 - контроль, II - 30 мг НЧ SiO2, III - 90 мг, IV -180 мг, V - 210 мг, VI - 360 мг НЧ SiO2.
Результаты исследования. Основными физиологическими показателями растений токсического воздействия НЧ являются энергия прорастания, удлинение корней, биомассы и количество листьев. Существует мнение, что показатели прорастания семян растений, а также их устойчивость к экзогенным стрессовым факторам являются косвенными параметрами [9].
Результаты вегетационного эксперимента показали, что энергия прорастания клубней при обработке SiO2 дозой 90 мг повышалась: отмечали достоверное увеличение длины ростков на 21,4% (Р<0,05) и корней до 6,8% относительно контроля (табл. 1). Однако в VI варианте оксид кремния проявил отрицательное воздействие на энергию прорастания клубней и длину ростков в сравнении с контролем (на 50%). На остальных вариантах (II, IV, V) длина ростка была приближена к контролю. Напротив, увеличение длины корней на 27,8-21,0% наблюдалось при дозах 180 и 210 мг наноматериала в сравнении с контролем. В то же время на 21-е сут. эксперимента почти на всех вариантах увеличилась длина ростков картофеля в сравнении с контролем - от 16,6 до 55,3%.
Задержка ростовых процессов в начальный период развития растений, или эффект торможения, является одним из интегральных показателей физиологического состояния растений. В эксперименте эффект торможения длины корня и ростка проявлялся на 14-е сут. с момента обработки дозой 360 мг, но ингибирование корня было недостоверно (табл. 2).
Таким образом, на основе ростовых характеристик Solanum tuberosum мы рассчитали индекс толерантности (табл. 2), который в целом был больше для корневой системы, чем для ростков. Это произошло, по-видимому, из-за того что у
Исследование выполнено в соответствии с планом НИР на 2019-2020 гг. ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН (№ 0761-2019-0011)
1. Биометрические показатели картофеля после воздействия наночастиц оксида кремния
Вариант Длина ростка, см Длина корня, см
сут сут
14-е 21-е 14-е 21-е
I 1,4±0,19 1,9±0,30 3,19±1,3 5,3±1,1
II 1,5±0,15 2,2±0,33 3,13±1,5 4,9±1,3
III 1,7±0,30* 2,2±0,25 3,42±1,9* 7,2±1,5*
IV 1,3±0,20 2,8±0,37* 4,09±2,2* 9,7±1,6*
V 1,4±0,10 2,3±0,30* 3,97±2,1* 7,8±1,3*
VI 0,7±0,20 1,1±0,10 0,7±0,4 1,8±0,6
Примечание: *достоверное отличие от контроля при Р<0,05
2. Оценка эффекта торможения роста и индекса толерантности растений Solanum tuberosum после воздействия наночастиц SiO2
Вариант Эффект торможения, % Индекс толерантности, %
длина ростков длина корней длина ростков длина корней
14-е сут. 21-е сут. 14-е сут. 21-е сут.
I конт роль
II — - 2,8 5,7 122,2 94,2
III - - - - 122,2 138,4
IV 7,14 - - - 155,3 180,8
V - - - - 133,3 186,5
VI 50,0 38,8 81,25 65,38 18,7 34,6
Рис. 1 - Масса стеблей с одного растения после действия наночастиц оксида кремния, г (Р<0,05)
клубня картофеля процесс прорастания начинается с глазков, будущих ростков, являющихся первичной «мишенью». Полученные данные по индексу толерантности длины ростков и корней картофеля свидетельствует об отсутствии токсического эффекта исследуемого диапазона доз НЧ SiO2 от 30 до 360 мг.
По результатам полевых исследований максимальная масса стеблей на 56-е сут. после посадки наблюдалась при обработке клубней наночастицами SiO2 в дозе 180 мг и 210 мг — соответственно 520,6 и 532,9 г, что превышало контроль на 21,1 и 24,0% (рис. 1). На 70-е сут. наибольшая масса стеблей отмечалась в вариантах с дозами НЧ SiO2 90 мг и 180 мг и превышала контроль в 2 раза.
Анализируя данные по массе листьев, следует отметить, что наибольшее их значение наблюдалось при дозе НЧ SiO2 210 мг и превышало показатели в контрольном варианте на 267,8% (Р<0,05).
Повышение дозы НЧ до 360 мг замедляло накопление листовой биомассы на 10,1% (рис. 2).
Рис. 2 - Масса листовой поверхности с одного растения после действия наночастиц оксида кремния, г (Р<0,05)
Выяснилось, что НЧ оказывали влияние на количество клубней в кусте. По результатам исследования максимальное количество клубней отмечено как на 56-е сут., так и на 70-е, в контрольном варианте — 12 и 15 шт. соответственно. Следует отметить, что статистически недостоверно отличались варианты с дозами НЧ SiO2 30— 360 мг от контроля. В то же время при дозе 180 и 210 мг (на 56-е сут.) наблюдалось достоверное увеличение массы клубней относительно контроля в 9 и 6 раз (150,0+4,0 и 106,2+6,2 г против контроля 16,4+4,1 г). На 70-е сут. аналогично установлено достоверное увеличение массы клубней при тех же дозах — 358,2 и 398,4 г (табл. 3).
Результаты вегетационных и полевых экспериментов показали, что обработка клубней кремнезёмом в наноформе в целом улучшает ростовые параметры картофеля, за исключением дозы 360 мг. Возможно, что стимулирование развития надземных и подземных органов Solanum tuberosum наночастицами SiO2 связано с ролью
3. Структурные показатели растений Solanum tuberosum после обработки клубней НЧ SiO2
£ Количество клубней Масса клубней
§ с 1 растения, шт. с 1 растения, г
% сут. сут.
ffl 56-е 70-е 56-е 70-е
I 12 15 16,4±4,1 144,4±8,0
II 8 14 18,1±3,1 257,0±25,4*
III 3 12 22,9±0,5 358,2±23,7*
IV 8 13 150,0±4,0* 398,4±27,2*
V 6 10 106,2±6,2* 196,8±28,5*
VI 2 6 9,8±1,6 126±5,6
Примечание: *достоверное отличие от контроля при Р<0,05
кремния как биогенного макроэлемента в растениях.
Выводы. Обобщая полученные результаты по биологической активности НЧ оксида кремния в отношении модельного растения Solanum tuberosum, можно заключить, что на начальных этапах наноча-стицы способствовали торможению роста растений, но к концу экспозиции и в вегетационном и в полевом опыте оказывали стимулирующее действие на рост как надземных, так и подземных органов растений при дозе 180 мг.
Таким образом, проявление биологических
эффектов НЧ SiO2 напрямую зависит от концентрации и химической природы наноматериала и
от вида растений.
Литература
1. Ling Y., Yatts D. Particle Surface Characteristics May Play an Important Role in Phytotoxicity of Aluminia Nanoparticles // Toxicology Letters. 2005. Vol. 158. № 2. P. 122-132.
2. Zhu, H., Han, J., Xiao, J. Q. & Jin, Y. Uptake, translocation, and accumulation of manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants // Journal of Environmental Monitoring. 2008. Vol. 10. № 6. P. 713-717.
3. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.
4. Арсентьева И.П., Дзидзигури Э.Л., Захаров Н.Д. и др. // Перспективные материалы. 2004. № 4. С. 64-68.
5. Liang Y., Sun W., Zhu Y-G., Christie P. Mechanisms of siliconmediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: a review // Environ Poll 2007. Vol. 147. № 2. P. 422-428.
6. E. Epstein. Silicon: its manifold roles in plants // Ann Appl Biol 155. 2009. P. 155-160.
7. Матыченков В.В. О подвижных формах кремния в растениях / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова, А.А. Кособрюхов [и др.] // ДАН РАН. 2008. Т. 418. № 2. C. 279-281.
8. PosciC F., Mattiello A., Fellet G., Miceli F., Marchiol L. Effects of Cerium and Titanium Oxide Nanoparticles in Soil on the Nutrient Composition of Barley (Hordeum vulgare L.) Kernels // Int J Environ Res Public Health. 2016. Vol. 13. №6. pii: E577. doi: 10.3390/ijerph13060577.
9. Wang, F., Liu, X., Shi, Z., Tong, R., Adams, C. A., & Shi, X. Arbuscular mycorrhizae alleviate negative effects of zinc oxide nanoparticle and zinc accumulation in maize plants - A soil microcosm experiment // Chemosphere, 2016. V. 147. P. 88-97.
Влияние нормы высева и срока посева на семенную продуктивность горчицы белой и жёлтой
С.С. Жирных, к.с.-х.н, ФГБУН УдмФИЦ УрО РАН
Горчица — культура разностороннего использования. Одно из важнейших её достоинств — роль в севообороте [1]. В год потери гумуса под однолетними культурами составляют 0,4—1,0 т/га, под чистыми парами — 1,5—2,5 т/га. Остановить этот процесс можно за счёт высева сидератов [2, 3]. Горчица — культура, способная быстро развиваться и в короткий срок формировать значительный урожай зелёной массы. При урожайности горчицы 21 т/га (5,3 т/га сухого вещества) органического вещества и элементов минерального питания в почву поступит столько же, сколько при внесении 12,5 т/га навоза [4]. При заделывании зелёной массы горчицы в почве появляется больше полезных микроорганизмов, которые перерабатывают эту массу и обогащают почву минеральными соединениями. Горчица способна переводить труднорастворимые питательные элементы (фосфаты), недоступные для многих растений, в легкоусвояемую форму. Содержание во всех частях растения горчицы эфирных масел является хорошим профилактических средством от накопления в почве вредителей и грибковых инфекций; корни горчицы предотвращают развитие болезнетворных бактерий в почве. Растение подавляет возбудителей парши,
фитофтороза, фузариоза, развитие корневых гнилей. Это в свою очередь способствует снижению использования в аграрных системах химических средств защиты растений, выполняя экологическую роль [5, 6].
Кроме всего этого, горчица является одним из лучших ранних медоносов и в отдельные годы способна обеспечивать сбор мёда до 376 кг/га [7].
В семенах горчицы белой масла содержится 25—39%, жёлтой — 34—47%. Горчичное масло в сравнении с другими маслами имеет самый низкий кислотный показатель и дольше других сохраняет свои вкусовые свойства, стойко к окислению при хранении и термической обработке [8].
Считается, что горчица не так требовательна к сроку посева как, например, яровые зерновые. Но при более ранних сроках посева влажный верхний слой почвы способствует формированию более мощной корневой системы и листовой розетки, что повышает её конкурентоспособность относительно сорной растительности, такие посевы более стойко переносят засуху. Также ранний посев уменьшает вредоносность крестоцветных блошек [8, 9].
В силу биологических особенностей горчица сильно реагирует на изменение площади питания.
