CC BY
25
Оценка толерантности растений картофеля к применению оксида кремния*
А.А. Мушинский, д.с.-х.н., Е.В. Аминова, к.с.-х.н., Е.В. Ча-совских, к.с.-х.н, ФГБНУ ФНЦ БСТРАН
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 (НЧ) металлов менее токсичны и отличаются пролонгированным воздействием на биологические объекты [3]. На основе на-норазмерных частиц кремния созданы биопрепараты нового поколения, которые успешно испытаны в растениеводстве и животноводстве [4]. Кроме того, исследования и выводы ведущих мировых учёных выдвигают свойства кремния на первое место [5].
В настоящее время исследования, направленные на изучение стимулирующего и ингибирующего воздействия наночастиц на растения и выяснение пороговых доз НЧ, являются актуальными [6]. Диоксид кремния — одна из 10 основных НЧ с объёмом производства более 100 т/год, и с каждым годом объёмы производства кремния продолжают расти [7]. При этом особую актуальность эти 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 [8].
Картофель, занимая 3-е место по объёму производства в мире (после риса и пшеницы), является стратегической культурой и с точки зрения продовольственной безопасности [9]. Клубни картофеля — это конечный продукт в сельском хозяйстве, который развивается в непосредственном контакте с почвой, вследствие чего почвенные растворы непосредственно воздействуют на клубни.
Литературные источники обеспечивают достаточное количество работ по чувствительности отдельных представителей сельскохозяйственных растений к КР SiO2, в то время как картофель, являющийся продуктом питания, богатый питательными веществами, недостаточно изучен в этом отношении.
Цель исследования — изучение воздействия наночастиц SiO2 на биометрические показатели картофеля.
Материал и методы исследования. Полевые и лабораторные эксперименты проводили на клубнях и растениях картофеля сорта Ицил с 2017 по 2018 гг.
Закладка опыта проводилась на орошаемом участке п. Краснохолм Оренбургской области.
В исследовании использовали наночастицы оксида кремния (НЧ SiO2) размером 30,7±0,3 нм, ^-потенциал — 27±0,12 мВ, полученные методом плазмохимического синтеза ООО «Передовые порошковые технологии» (Россия, г. Томск). 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 трёх повторностях. Перед началом эксперимента клубни картофеля дезинфицировали в 0,01% КМп04 в течение 5 мин., 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 мин. Затем образцы клубней заливали 100 мл свежеприготовленных суспензий НЧ SiO2, встряхивали контейнер в течение 5 мин. и в последующем сливали суспензию.
В качестве контроля использовали необработанные НЧ (0 г/кг) клубни.
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 [10] и методике госсортоиспытания [11]. Площадь делянки — 42 м2 (30x1,4). Элементы структуры урожая картофеля определяли на 56-е и 70-е 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.
Результаты исследования. Известно, что показатели прорастания семян растений, а также их устойчивость к экзогенным стрессовым факторам являются косвенными параметрами. Результаты вегетационного исследования показали, что энергия прорастания клубней при их обработке SiO2 в концентрации 0,09 г/кг увеличивалась и способствовала достоверному увеличению длины ростков на 21,4% (Р<0,05) и корней до 6,8% относительно
* Исследование выполнено в рамках реализации подпрограммы «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации» Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017— 2025 годы. Утверждена Постановлением Правительства Российской Федерации от 5 мая 2018 г. № 559.
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%. При остальных концентрациях длина ростка была приближена к контролю. Напротив, стимуляция роста длины корней на 27,8—21,0% наблюдалась при концентрациях нанометалла 0,18 и 0,21 г/кг в сравнении с контролем. На 21-й день опыта почти на всех вариантах увеличилась длина ростков в сравнении с контролем — от 16,6 до 55,3%.
По результатам полевых исследований максимальная масса стеблей на 56-е сут. после посадки наблюдалась при концентрации НЧ SiO2 0,18 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-е сут. наибольшая масса стеблей отмечалась в вариантах с концентрациями НЧ SiO2 0,09 и 0,18 г/кг и превышала контроль в 2 раза.
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) (рис. 3).
Исследования показали, что максимальное количество клубней отмечено как на 56-е сут., так и на 70-е, в контрольном варианте — 12 и 15 шт. соответственно (рис. 4). Анализируя данные, следует отметить, что статистически недостоверно
отличались от контроля варианты с концентрациями НЧ SiO2 0,03-0,36 г/кг.
Через 56 суток после посадки средняя масса одного клубня при концентрации НЧ SiO2 0,18 и 0,21 г/кг соответственно увеличилась на 18,7 и 17,7 г (P<0,05) относительно контроля. На 70-е 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).
Более высокая концентрация НЧ SiO2 (0,36 г/кг) вызывала снижение массы стеблей, листьев и продуктивности картофеля.
Основными физиологическими показателями растений токсического воздействия НЧ являются энергия прорастания, удлинение корней, биомассы и количество листьев. В своей работе Yang Jie et al. [12] указывает, что некоторые НЧ могут иметь существенные негативные последствия, такие, как снижение всхожести семян и подавление роста растений, и даже могут вызвать их гибель.
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 [13]. Таким образом, подчёркивается, что проявление биологических эффектов НЧ SiO2 напрямую за-
КонцентрацппНЧ ЗЮ , . г/кг Рис. 1 - Биометрические показатели картофеля после воздействия наночастиц оксида кремния
503 ■'-00 зоо 200 100 о
I
им
Рис. 2 - Масса стеблей с одного растения, г (здесь и далее):
1 - контроль (без обработки); 2 - концентрация 8Ю2 0,03 г/кг; 3 - концентрация 8Ю2 0,09 г/кг; 4 - концентрация 8Ю2 0,18 г/кг; 5 - концентрация 8Ю2 0,21 г/кг; 6 - концентрация вЮ2 0,36 г/кг
□ 56 су| ок ■ 70 оы
Рис. 3 - Масса листовой поверхности с одного растения, г
L П^Лсуток Н7ШТШК j
Рис. 4 - Количество клубней с одного растения, шт.
= лю -
г.
ЛЛ
1 г 1 л 5 5
■ О'Чпшк
Рис. 5 - Средняя масса клубней с одного растения, г
висит от концентрации и химической природы наноразмерного металла [6] и от вида растений.
Возможно, что стимулирование развития надземных и подземных органов 8о1апыш ШЬвюзыт наночастицами SiO2 связано с ролью кремния как биогенного макроэлемента в растениях.
Выводы. Обобщая полученные результаты по биологической активности НЧ оксида кремния в отношении модельного растения 8о1апыш ШЬвюзыш, можно заключить, что на начальных этапах нано-металл способствовал торможению роста растений, но к концу экспозиции и в вегетационном, и в
полевом опыте оказывал стимулирующее действие на рост как надземных, так и подземных органов растений при концентрации 0,18 г/кг.
Литература
1. Ling Y., Yatts D. Particle Surface Characteristics May Play an Important Role in Phytotoxicity of Aluminia Nanoparticles // Toxicology Letters. 2005. 158: 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. № 10 (6). С. 713-717.
3. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.
4. Арсентьева И.П. Закономерности строения и биологической активности нанокристаллических порошков железа / И.П. Арсентьева, Э.Л. Дзидзигури, Н.Д. Захаров [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. 147: 422-428.
6. 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. Jun 9;13(6). pii: E577. doi: 10.3390/ijerph13060577.
7. Vance ME, Kuiken T, Vejerano EP, McGinnis SP, Hochella MF Jr, Rejeski D et al (2015) Nanotechnology in the real world: redeveloping the nanomaterial consumer products inventory // Beilstein J Nanotechnol V. 6. P. 1769-1780.
8. Simonin M, Richaume A Impact of engineered nanoparticles on the activity, abundance, and diversity of soil microbial communities: a review // Environ Sci Pollut Res Int 2015. V. 22. P. 13710-13723.
9. Zaman MS, Ali GM, Muhammad A, Farooq K, Hussain I In vitro screening of salt tolerance in potato (Solanum tuberosum L.) varieties // Sarhad J Agric. 2015. V. 31. P. 106-113.
10. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (с основами статистической обработки результатов исследований). 4-е изд., перераб. и дополн. М.: Колос, 1985. 354 с.
11. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. М.: Колос, 1975. Вып. 4. 182 с.
12. Yang J, Zhang Y, Dong F. Neural word segmentation with rich pretraining // In: ACL, Vancouver. 2017. P. 839-849.
13. Pulz AL, Crusciol CAC, Lemos LB, Soratto RP Influencia de silicato ecalcario na nutriijao, produtividade e qualidade da batata sob deficiencia hidrica // Rev Bras Cienc Solo. 2008. V. 32. P. 1651-1659.
