CC BY
146
УДИ 631.8:632
10.18286/1816-4501 -2015-4-30-35
РОЛЬ КРЕМНИЯ И ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ ПОРОД В ЗАЩИТЕ ПОСЕВОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
Куликова Алевтина Христофоровна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры «Почвоведение, агрохимия и агроэкология»
Яшин Евгений Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры «Почвоведение, агрохимия и агроэкология»
ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА
433017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; тел.: 8(8422) 55-95-68 e-mail: [email protected]
Ключевые слова; кремний, высококремнистые породы, диатомит, защита посевов.
В работе показана роль кремния в защите посевов сельскохозяйственных культур от фитопатогенов. Установлена высокая эффективность в этом отношении высококремнистых пород, прежде всего, диатомита. При этом пораженность грибными заболеваниями томатов, сахарной свеклы снижалась до 80 % и более, ячменя на 14-35 %.
Введение
В научной литературе имеются многочисленные сведения о том, что кремний способствует повышению устойчивости растений к поражению грибными заболеваниями, насекомыми-вредителями, полеганию, интоксикации любыми токсикантами, то есть формирует защитные функции организма [1-5]. Особенно широко исследовано благотворное влияние кремния на сопротивляемость злаковых растений грибным заболеваниям: глазковой пятнистости, вызываемой грибом Helminihosporium oryzae, стеблевой гнили (Leptosphaezia raevini), мучнистой росе (Erysiphe gram inis) [3]. Однако в настоящее время не существует единого мнения относительно роли кремния в защите растений от патогенных микроорганизмов. Начальная теория, сформировавшаяся к 60-м годам прошлого века, состояла в признании образования механического барьера на пути распространения инфекции. При этом считалось, что кремний способствует укреплению клеточных стенок эпидермиса, которые для грибов, насекомых и других вредителей становятся трудно преодолимым барьером [4]. Теория получила широкое распространение и не отрицается в настоящее время. Так, результаты работ Г.В. Ефимовой и С.А. Дякунчак [5] показали, что выращивание риса в присутствии метасиликата натрия способствует утолщению оболо-
чек клеток эпидермиса. Фитопатологическая оценка зараженных пирикуляриозом листьев риса подтвердила, что при внесении метасиликата натрия растения поражались в меньшей степени.
Между тем, параллельно развитию данной теории, доказываемой соответствующими экспериментами, было установлено, что не всегда существует зависимость между кремниевым питанием и упрочнением листовой поверхности растений. Было сделано заключение, что кремний защищает растения от грибной инфекции, однако увеличение механической прочности растительной ткани недостаточно, чтобы объяснить механизм защиты [7]. Следовательно, физический барьер на пути патогена является лишь частью комплексной оборонительной реакции растения, в которую вовлечен кремний.
Согласно другой точке зрения, кремний является стимулятором естественной защитной системы растения. М. Gherif и др. [8] установлено, что кремниевое питание растений способствует повышению активности ферментов хитиназ, способных разрушать гифы патогенных грибов. Аналогичные результаты получены A. Fawe [9]. A. Fawe (2001) на основе экспериментов с огурцами предположил, что кремний играет активную роль в увеличении способности растений сопротивляться инфекции за счет стимули-
рования природных защитных реакций и определяет продолжительность ответной реакции растения.
По мнению В.В. Матыченкова [4], активные формы кремния способствуют быстрому и направленному синтезу специфических органических молекул внутри растительной клетки, которые помогают растению преодолеть или адаптироваться к стрессу. Последнее подтверждается и тем, что содержание кремния возрастает в тканях живых организмов, подверженных стрессу. Разнообразие растений (как кремниефилов, так и некремниефилов), положительно отзывающихся на дополнительное питание кремнием, показывает, что защитная функция кремния универсальна.
Из вышеуказанного вытекает важнейший вывод о возможности частичной замены химических средств защиты растений кремнийсодержащими удобрениями. Проведенные нами исследования, целью которых являлось в том числе изучение защитной роли высококремнистых пород, применяемых в качестве силикатных удобрений, подтверждают данную гипотезу.
Объекты и методы исследований
Объектами исследования являлись сельскохозяйственные культуры: яровая
пшеница, ячмень, сахарная свекла, томат и высококремнистые породы: диатомит, опока, а также кремнийорганический регулятор роста растений Мивал-Агро. Изучение защитной роли высококремнистых пород при возделывании сельскохозяйственных культур проводилось в мелкоделяночных и полевых опытах кафедры почвоведения, агрохимии и агроэкологии ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», начиная с 2000 года. Схемы опытов приведены в процессе обсуждения результатов. Почва опытного поля чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый.
Результаты исследований
В последние годы в связи с дороговизной минеральных удобрений и возможными их негативными последствиями в окружающей среде, а также необходимостью снижения пестицидной нагрузки на агроэкосистемы и получения экологически безопасной продукции становится все более
актуальным вовлечение в сферу сельскохозяйственного производства природных полиминералов, содержащих кремний и другие элементы питания.
Особый интерес в этом отношении представляют наноструктурированные высококремнистые породы, прежде всего, опалкристобалиты (диатомиты, опоки, трепелы), представленные преимущественно аморфным (активным) кремнеземом.
Высококремнистые породы обладают рядом свойств, важных с агрономической точки зрения. Во-первых, вышеназванные породы - это природные сорбенты со специфическим характером пористости, обладающие высокой адсорбционной и ионообменной емкостью (0,8 - 0,12 г-экв/кг), поэтому способны удерживать в пахотном слое элементы питания от выноса их за пределы корнеобитаемого слоя, которые затем высвобождаются и используются растениями. Во-вторых, они (высококремнистые породы) содержат в своем составе до 1,5 - 2,0 % калия, серы и ряд микроэлементов. Однако, прежде всего, они могут быть использованы как кремниевое удобрение (с содержанием оксида кремния > 80 %), необходимость применения которого (так же, как азото-, фосфорно-, калийных) доказана.
Не касаясь многостороннего влияния высококремнистых пород на систему почва - растение, в данной работе мы приводим результаты изучения их защитных свойств.
Первые опыты по изучению эффективности диатомита в системе удобрения были проведены в 2000 - 2004 гг. с овощными культурами как в мелкоделяночных, так и производственных опытах. Результаты опытов показали очень высокую эффективность в качестве удобрения (урожайность огурцов повышалась на 20 %, томатов на 13 %, моркови на 14 %, столовой свеклы на 13 %), в том числе защите растений.
Так, при возделывании томатов применение в качестве кремниевого удобрения диатомита (5 т/га) в чистом виде почти или полностью защищало растения от заболевания вершинной гнилью (Bacterium Jycopersici Вигдп) и резко сокращало сроки начала плодоношения и наступления товарной спелости плодов (рисунок).
I б
1 s
ai г с
36 о ь
га "Н
II4
2 са' 3 Р о
сГ
и
(U
3*
5
О
зс
S 2
с
Контроль Диатомит, 5 т/га
Рис. 1 - Влияние диатомита на пораженность плодов томатов вершинной гнилью
Аналогичные результаты получены в производственных опытах (на площади 5 га (доза диатомита 5 т/га) растения на опытном варианте практически не поражались и снижение заболеваемости томатов при внесении диатомита в почву составляло до 80 %, урожайность их при этом повышалась на 3,5 т/га (44 %).
В 2007 - 2009 гг. изучалось влияние диатомита, кремниевых комплексов на его основе и минеральных удобрений на пораженность растений церкоспорозом и урожайность корнеплодов сахарной свеклы. Сахарную свеклу поражают более 60 видов возбудителей болезней различной природы в период вегетации и хранения корнеплодов. Церкоспороз, вызываемый грибом Cercosporella Biticola, является одним из
самых вредоносных заболеваний сахарной свеклы.
В табл. 1 представлены данные результатов фитосанитарного обследования посевов сахарной свеклы в течение июля - сентября и урожайность корнеплодов.
Следует отметить, что защитное действие диатомита как кремнийсодержащего материала проявлялось при значительно меньших его дозах (40 кг/га). Данные, представленные в таблице, отражают степень поражения листьев перед уборкой. Наиболее сильное поражение их наблюдалось на контрольном варианте, что, прежде всего, обусловлено недостаточностью элементов питания и полным отсутствием средств защиты. Двукратное применение Фундазола и Шарпея полностью обеспечило защиту
Таблица 1
Пораженность церкоспорозом и урожайность сахарной свеклы
Вариант Степень поражения Распространение, % Характерные признаки поражения Урожайность, т/га
Контроль Сильная 65 Отмерли листья и часть листьев среднего яруса 23,8
N60P60K60 Средняя 42 Поражение листьев верхнего и частично среднего ярусов 32,4
N60P60K60+ СЗР (Фундазол + Шарпей) Отсутствует 1 Отсутствует 32,9
Диатомит (40 кг/га) Незначительно 3 Отдельные пятна на листьях нижнего и среднего ярусов 28,8
HCPos 0,5
Пораженность посевов ячменя корневыми гнилями, %
Таблица 2
№ п/п Вариант 2011 г. 2012 г. 2013 г. Отклонение от контроля, %
абсолютная относительная
1 Контроль 19,9 25,0 15,3 20,1 -
2 СЗР (Беномил 500) 18,1 12,8 11,8 14,2 -29
3 Диатомит 40 кг/га (в рядки) 19,0 21,9 11,0 17,3 -14
4 Диатомит 30 кг/т (обработка семян) 17,4 17,4 11,3 15,4 -23
5 Мивал - Агро 5 г/т (обработка семян) 16,1 14,8 10,5 13,8 -31
6 N40P40K40 (под предпосевную культвацию) 18,2 20,8 16,0 18,3 -9
7 NPK + C3P 16,6 17,8 12,0 15,5 -23
8 NPK + диатомит (в рядки) 16,9 16,9 11,3 15,0 -25
9 NPK + диатомит (обработка семян) 16,1 11,2 12,0 13,1 -35
10 NPK + Мивал-Агро 15,5 10,0 10,3 11,9 -41
HCPos Фактор А 0,8 1,0 0,6 - -
Фактор В 1,3 1,5 1,0 - -
посевов. Однако в варианте с применением диатомита в дозе лишь 40 кг/га пораженность листьев практически отсутствовала.
Последнее свидетельствует о том, что диатомит обладает фунгицидным действием и по своей эффективности не уступает используемым в опыте традиционным средствам защиты растений, а урожайность корнеплодов повышалась на 5 т/га.
Изучение эффективности кремнийсодержащих материалов, в том числе диатомита и кремнийсодержащего регулятора роста растений Мивал - Агро, в защите посевов ячменя от корневых гнилей проводилось в 2011 - 2013 гг.
Корневые гнили зерновых (гороха, пшеницы, ячменя) вызываются чаще всего полупаразитными грибами родов Fuzarium, Bipolaris, Cercosporella, Ophiobolus, проявляющиеся в виде загнивания, разрушения корневой и прикорневой части растения и приводящих к потере 30 - 35 % урожая в зависимости от зоны возделывания. Химическое протравливание семян эффективно и стабильно подавляет их, однако чревато возможными негативными последствиями для окружающей среды. И не случайно во
всем мире ведется интенсивный поиск альтернативных экологически безопасных препаратов, обладающих высокой иммуностимулирующей и антистрессовой активностью [10].
Результаты наших исследований показали, что использование в технологии возделывания ячменя минимальных доз диатомита (40 кг/га при внесении в почву и 30 кг/т при предпосевной обработке семян) позволяет достичь результатов, сравнимых с применением средств защиты растений, а на фоне минеральныхудобрений - превзойти эффективность СЗР (табл. 2). При этом пораженность корневыми гнилями растений ячменя в среднем за 3 года при применении как в чистом виде, так и совместно с минеральными удобрениями снижалась на 14 -41 % (относительных) [11].
При возделывании зерновых культур одной из значительных проблем становится полегание, которое является крайне нежелательным процессом, приводящим к потере урожая до 50 % и более. В связи с этим предлагаются различные препараты, позволяющие увеличить прочность стебля.
В литературе встречается множество
Таблица 3
Устойчивость к полеганию яровой пшеницы, баллы*
Вариант 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. Средняя
Контроль 4,0 3,8 3,8 4,3 3,9
N40P40K40 3,3 3,0 2,9 3,9 з,з
Диатомит 3 т/га 4,5 4,3 4,2 4,8 4,5
Диатомит 3 т/га + N20 4,4 4,3 4,3 4,7 4,4
Диатомит 3 т/га + N40 4,2 4,1 4,0 4,5 4,2
нср05 0,2 0,2 0,2 о,з -
* - неполегающие растения - 5 баллов
- полегшие, но выпрямившиеся или полегшие в слабой степени
- 4 балла
- со средней степенью полегания - 3 балла
- сильно полегшие, затрудняющие машинную уборку - 2 балла
- сильно полегшие задолго до уборки и практически не пригодные к машинной уборке -1 балл.
примеров повышения прочности стеблей растений и увеличения их устойчивости к полеганию в результате применения кремнийсодержащих препаратов [3, 6, 12].
В стеблях злаков кремний отлагается в стенках и междоузлиях, что существенно повышает их прочность, сужает просвет стебля и препятствует развитию и передвижению личинок насекомых. Он также внедряется в клетки экзодермы, располагаясь во внутренних тангенциальных и радиальных стенках.
Четырехлетнее (2003 - 2006 г.г.) изучение устойчивости к полеганию яровой пшеницы показало, что внесение диатомита -один из результативных способов повысить устойчивость растений к полеганию (табл. 3).
Вследствие повышения урожайности при внесении минеральных удобрений устойчивость растений к полеганию понижается, а при совместном внесении с диатомитом - повышается. Следовательно, применение диатомита не только в чистом виде, но и совместно с минеральными удобрениями (прежде всего с азотными) позволяет значительно снизить потери зерна из-за полегания культур.
Еще более поразительные результаты приводит В.Н. Капранов [12]: растения тритикале при внесении диатомита в дозе 1200 кг/га выдерживали при неблагоприятных условиях в 2 раза больше механические нагрузки, сохраняя при этом устойчивость.
Следовательно, применение диатомита как кремнийсодержащего материала
позволяет формировать устойчивые против болезней и вредителей, а также полегания посевы. Что касается грибной инфекции, она обычно развивается из споры, попавшей на поверхность органа растения. Вначале формируется аппросорий, закрепляющий тело гриба. Затем с помощью гидролизирующих ферментов гриб разрушает клеточную стенку и проникает во внеклеточное пространство, образуя первичные гифы и гаустории. При этом без соответствующей защитной реакции со стороны растения развитие гриба продолжается, и вирулентность увеличивается за счет формирования экзо-и зооспор [13]. Растения способны противостоять развитию инфекции. На начальном этапе происходит увеличение синтеза кал-лозы, лигнина и гликопротеинов с целью упрочнения клеточных стенок. Затем активируется синтез специфических ферментов, к числу которых относятся хитиназы, гидролизирующие клетки организма - паразита. Заключительной стадией данного процесса является синтез фитоалексинов - низкомолекулярных соединений класса флавоно-идов и изопреноидов, оказывающих антимикробное действие [14]. Вторая стадия защитной реакции связана с формированием у растения иммунитета к данному патогену, в котором (как и в первой стадии) большую роль играет кремний. Таким образом, попытка повторного инфицирования будет предотвращена, в том числе и не пораженных инфекцией клеток [15].
Выводы
В настоящее время роль кремния в формировании иммунитета и повышении устойчивости растений (сельскохозяйственных культур) от фитопатогенов, а также от неблагоприятных факторов окружающей среды (результаты изучения которых не
представлены в данной статье), доказана. Однако точный механизм, посредством которого кремний модулирует защитные свойства организма, не до конца выяснен. Одно несомненно, кремний очевидно занимает центральное место в ответной реакции растений на любые стрессы, в том числе вызванные действием патогена. Он способен активировать иммунную систему растения, что приводит к синтезу и аккумуляции защитных соединений в клетках, подверженных инфекции.
Вышесказанное позволяет использовать высококремнистые породы одновременно не только в качестве эффективного кремниевого удобрения, но и экологически безопасного средства защиты посевов сельскохозяйственных культур. По своей эффективности последние мало или практически не уступают традиционным химическим средствам защиты растений.
В работе использованы экспериментальные данные, полученные в соответствующие годы автором совместно с аспирантами Яшиным Е.А., Даниловой Е.В., Кудряшовым А.В. и Смываловым В.С.
Библиографический список
1. Yoshida, S. Chemical aspects of the role of silicon in physiology of the rice plant / S.Yoshida //Bull. Nat. Jnst. Agric. -Sci, 1965.-Ser. B.- № 15.-P. 1-58.
2. Yoshida, S. The physiology of silicon in rice / S.Yoshida // Food Fert. Tech. Centr. Bull, Taipei.- Taivan, 1975. - № 4. - P. 81.
3. Воронков, М.Г. Кремний и жизнь / М.Г. Воронков, Г.И. Зелчан, Э.Л. Лукевиц .Рига: Зинатне, 1978. - 587 с.
4. Матыченков, Владимир Викторович. Роль подвижных соединений кремния в растениях и системе почва-растение: автореф. дисс. ... д-ра биологических наук / В.В. Матыченков. - Пущино, 2008. - 34 с.
5. Физиологическое значение кремния в онтогенезе культурных растений и при их защите от фитопатогенов / А.В. Козлов, И.Б. Уромова, Е.А. Фролов, К.Ю. Мозолева // Международный студенческий научный вестник - 2015. - № 1. - С. 39 - 49.
6. Ефимова, Г.В. Анатомоморфологи-
ческое строение эпидермиса листьев риса и повышение его защитной функции под влиянием кремния / Г.В. Ефимова, Е.А. Дякун-чак//Сельскохозяйственная биология.-1986. -С. 57-61.
7. Okuda, A. The role of silicon the mineral Nutrition of the rice / A.Okuda, E. Takahashi // John Hopkins Prass.- Baltimore, 1965. Plant. -P. 123 -146.
8. Studies of silicon distribution in wounded and Pythium Ketrimum infected cucumber plants / M.Cherif , J.Menzies, N.Benhamou, R. Belanger // Phisiol. Mol. Plant.- Pathol, 1992P. 337 - 385.
9. Silicon and disease resistance in dicotyledons Jn. / A.Fawe, J.Menzies, M. Cherif, R. Belanger // Silicon in Agiculture.-2001. - PP. 159-170.
10. Коваленков, В.Г. Усложняющаяся фитосанитарная ситуация требует новых решений / В.Г. Коваленков // Защита и карантин растений.- 2010. - № 7. - С. 4 - 7.
11. Куликова, А.Х. Эффективность кремнийсодержащих препаратов в защите посевов ячменя и получение экологически безопасной продукции / А.Х. Куликова, Е.А. Яшин, В.С. Смывалов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - N° 4 (24). - С. 17 - 24.
12. Капранов, Владимир Николаевич. Использование природных агрохимических средств в качестве источников минерального питания полевых культур: автореф. дис. ... д-ра сельскохозяйственных наук: 06.01.04 / В.Н. Капранов. - М., 2009. -42 с.
13. Семенкова, И.Г. Фитопатология / И.Г. Семенкова .- М.: Академкнига, 2003. -480 с.
14. Wan, J. Actuation of a mitogen - activated protein Kinase pathway in Arabidopsis by chitin / J.Wan, S. Zhang, J.Syacey //Мое. Plant Pathol. 20.-2004. - P. 5556-5567.
15. Shulse, E. Plant Ecology. / E. Shulse, E. Beck, K. Muller-Hohenstein - Berlin : Springer-Verlag, 2005.-702 p.
