CC BY
24
УДК / UDC 633.1 "321":631.524.84:631.811.98:546.28-022.532
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОДУКТИВНОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ С СОДЕРЖАНИЕМ ПИГМЕНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ НАНОКРЕМНИЯ
THE INTERRELATION OF SPRING WHEAT PRODUCTIVITY WITH THE CONTENT OF PIGMENTS UNDER THE INFLUENCE OF NANOSILICON
Павловская H.E.*, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой Pavlovskaya N.E., Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of Department
Хорош илов А.А., аспирант Khoroshilov A.A., Postgraduate Student Бородин Д.Б., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Borodin D.B., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor Яковлева И.В., соискатель Yakovleva I.V., Applicant ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia *E-mail: [email protected]
В статье исследована структура урожая яровой пшеницы Дарья, содержание хлорофиллов А и В и каротиноидов. Листовой индекс у пшеницы под влиянием Нанокремния увеличивается по сравнению с контролем на 28% и по сравнению с Винцитом - на 14%. Установлено существенное увеличение содержания пигментов, участвующих в фотосинтезе, под влиянием препарата. Так, если в фазе 4-х листьев хлорофилла в варианте с препаратом было на 10% больше, то в фазе начала цветения в опытном варианте было на 70% больше, что указывает на продление жизни зеленого листа и сохранение ассимиляционной деятельности. Обработка семян пшеницы раствором Нанокремния перед посевом способствует увеличению ёмкости фотосинтетического аппарата в течение вегетации в опытном варианте, в большей степени, чем в варианте с Винцитом и контрольном. Под влиянием Нанокремния накопление Сахаров продолжается на неделю дольше, чем у контрольных вариантов, а их содержание в два раза больше, что указывает на то, что ассимиляты накапливаются в опытном варианте более длительное время, чем в контроле. Установлено, что урожайность пшеницы Дарья под влиянием обработки Винцитом увеличилась на 8% по сравнению с контролем без обработки, а под влиянием Нанокремния ее прирост составил 16,6% по сравнению с необработанными. Увеличение урожайности пшеницы под влиянием Нанокремния произошло за счет увеличения как количества зерен в колосе, так и за счет их массы. Под влиянием обработки происходит увеличение размера колосьев пшеницы в 1,5-2 раза и по сравнению с контрольными и по сравнению с обработанными Винцитом.
Ключевые слова: яровая пшеница, Нанокремний, фотосинтетические пигменты, урожайные данные.
The structure of spring wheat Daria, the content of chlorophylls A and B and carotenoids are investigated in the article. The leaf index in wheat under the influence of Nanosilicon increases compared with the control by 28% and compared with Vincite - by 14%. A significant increase in the content of pigments involved in photosynthesis was established under the influence of the drug. So, if in the phase of 4 leaves of chlorophyll in the variant with the preparation it was 10% more, then in the phase of the beginning of flowering in the experimental version it was 70% more, which indicates the prolongation of the green leaf life and the preservation of assimilation activity. The treatment of wheat seeds with Nanosilicon solution before sowing contributes to an increase in the capacity of the photosynthetic apparatus during the growing season in the experimental version, to a greater extent than in the variant with Vincite and control. Under the influence of Nanosilicon, the accumulation of sugars lasts a week longer than that of the control variants, and their content is twice as large, which indicates that assimilates accumulate in the experimental version for a longer time than in the control. It was established that the yield of
wheat Daria under the influence of treatment with Vincite increased by 8% compared with the control without treatment, and under the influence of Nanosilicon its growth amounted to 16.6% compared to untreated one. The increase in wheat yield under the influence of Nanosilicon was due to an increase in both the number of grains in the head and due to their mass. Under the influence of processing, an increase in the size of heads of wheat by 1.5-2 times occurs both in comparison with the control group and in comparison with the treated Vincite. Key words: spring wheat, Nanosilicon, photosynthetic pigments, yield data.
Введение. Кремний является вторым по распространенности элементом на планете после кислорода, составляя около 25% земной коры. Он используется для изготовления блоков двигателей, станков, силиконов, как важнейший компонент микроэлектроники и компьютерных чипов, как наиболее распространенный компонент песка и жизненно важный элемент жизни растений и животных [1]. Несмотря на значительные преимущества в сельском хозяйстве, Si, как правило, не рассматривается в качестве основного растительного элемента.
В природе кремний встречается в виде оксида (кремнезема) и силикатов, в которых он используется как удобрение. Он усиливает рост и урожайность всех однолетних и овощных культур. Кремний играет роль в укреплении клеточной стенки растений, и предполагается, что из-за этого он может способствовать повышению устойчивости растений к болезням, таким как мучнистая роса, септориоз, пятнистости, а также многим насекомым-вредителям посредством стимуляции защитных реакций растений. Он предотвращает полегание, уменьшает абиотический стресс при засухе и отрицательных температурах, солености, токсичности тяжелых металлов и алюминия [2].
В своих работах А. Яшин (2004); Е.А. Бочарникова, В.В. Матыченков (2011); О.С. Дронина (2009); В.Н. Капранов (2009); А.Х. Куликова (2010, 2013); А.В. Козлов (2013) [3], показали, что применение кремнийсодержащих веществ на зерновых культурах способствует увеличению листовой поверхности растений, стимуляции общего роста, ускорению наступления фаз колошения (выметывания) и созревания зерна [4, 5].
В настоящее время проблемой кремниевого питания занимаются очень активно, все большее значение придают кремнию как неотъемлемому фактору продуктивности агробиогеоценоза [6].
В отличие от обычного кремния Нанокремний - это препарат с частицами активного кремния размером от 0,005 мкм, без дополнительных примесей. Наночастицы в составе препарата составляют 50%. Также удобрение содержит более крупные включения кремниевых кислот, полиэтиленоксид и микроэлементы (железо, цинк, медь) - последних в составе не более 10% [7].
Основное назначение кремния в сельском хозяйстве - повышение стрессоустойчивости и урожайности сельскохозяйственных культур.
Целью данного исследования являлось выяснение роли нового удобрения Нанокремния на фотосинтетическую продуктивность яровой пшеницы в условиях Орловской области.
Условия, материалы и методы. Мелкоделяночные опыты заложены на полях ФГБНУ Федеральный научный центр зернобобовых и крупяных культур, поселок Стрелецкий Орловской области. Семена яровой пшеницы замачивали в течение 2 часов в препарате Нанокремний, рабочий расход 5 мл препарата разводится в 5 литрах воды. Контрольные образцы замачивали в воде и протравителе Винцит: 1,2 мл препарата Винцит и 3,8 мл воды. Общая площадь опытов составила 30 га. Площадь делянки 7 м2.
Продуктивность фотосинтеза яровой пшенице изучали по A.A. Ничипоровичу [8]. Изменения биомассы регистрировали, беря пробы в фазу 3-х листьев, в фазу кущения, в фазу выхода в трубку, колошение, цветение, в фазу молочной спелости зерна, в фазу полной спелости. Измерение площади листьев
проводили по Решецкому и др. [9]. Из каждой пробы методом случайной выборки отбирают по 10 зеленых листьев, взвешивают их, определяют площадь методом линейных измерений по длине (Д) и наибольшей ширине (Ш). Площадь измеренных листьев (S) рассчитывают по формуле:
S= ДсрхШср х0, 7 х n, (1)
где n - число измеренных листьев
Спектрофотометрическое определение содержания пигментов в растениях проводили по В.Ф. Гавриленко и соавт. [10].
Яровая пшеница сорт «Дарья». Родословная: Г-18 (81.1.2 х Белорусская 80). Сорт включён в Госреестр по Центральному и Центрально-Чернозёмному регионам. Рекомендован для возделывания в Брянской, Владимирской, Ивановской, Калужской, Тульской, Курской, Воронежской и Орловской областях [11].
Средняя урожайность в Орловской области - 48,5 ц/га, прибавка к среднему стандарту 6,8 ц/га. Максимальная урожайность 72,6 ц/г, Основным достоинством сорта является его среднеустойчивость к полеганию и засухе. Содержание белка в среднем 14,7%, содержание клейковины 34-35%.
В средней степени поражается мучнистой росой, умеренно восприимчив к септориозу; восприимчив к бурой ржавчине, пыльной и твёрдой головне.
Статистическая обработка данных проводилась по Доспехову [12].
Результаты и обсуждение. Основным показателем, характеризующим состояние посевов с точки зрения их фотосинтетической деятельности, является развитие поверхности листьев. По мнению A.A. Ничипоровича (1970) [13], посевами, обладающими оптимальной площадью листьев и хорошей динамикой ее развития и формирования, считаются такие, в которых листовая поверхность быстро вырастает до 40-50 тыс. м2/га, затем долго сохраняется в активном состоянии на этом уровне и в конце вегетационного периода значительно уменьшается или полностью отмирает, отдавая ассимилянты на формирование продуктивных органов. Листьям принадлежит основная роль в создании биологического урожая пшеницы (около 80%). Накопление сухого вещества определяется в основном числом и размерами листьев, продолжительностью их функционирования, величиной чистой продуктивности фотосинтеза. Биологические, природные и агротехнические факторы изменяют продуктивность пшеницы, воздействуя в первую очередь именно на эти показатели фотосинтеза [14].
Наиболее важной характеристикой сельскохозяйственных посевов, определяющих продуктивность фотосинтеза в расчете на единицу площади, является поддержание фотосинтезирующего покрова в активном состоянии на протяжении как можно более длительного времени, чтобы обеспечить максимальное поглощение света растениями. Для этого существует интегральный показатель ДСЛП (длительность существования листовой поверхности). Рост и урожай часто коррелирует с ДСЛП.
По нашим данным [15], площадь листовой поверхности яровой пшеницы в варианте с Нанокремнием значительно превышает контроль и вариант с Винцитом. Это указывает на более длительную работу фотосинтетического аппарата пшеницы под влиянием препаратов.
Перерасчет листового индекса на количество растений на 1 м2 почвы около (500 растений) показал следующие результаты:
Листовой индекс по вариантам (м2/м2):
Контроль 2,33
Винцит 2,67
Нанокремний 3,00
Таким образом, Нанокремний способствует повышению листового индекса яровой пшеницы.
Поскольку процесс фотосинтеза - это накопление ассимилятов, т.е. Сахаров, то их измерение показывает интенсивность фотосинтеза в учетном варианте (табл. 1).
Таблица 1 - Содержание Сахаров в листьях %
Вариант 02 июня 06 июня 01 июля 07 июля 26 июля
Контроль 11,75 19,70 18,08 14,48 4,41
Винцит 9,05 14,73 14,92 14,30 8,03
Нанокремний 16,44 13,63 14,68 14,79 8,41
Количество Сахаров при этом в контроле и в варианте с Винцитом максимально в период от 6 июня до 1 июля, а далее их доля начинает снижаться. Под влиянием Нанокремния накопление Сахаров продолжается еще неделю, а к 26 июля их содержание в два раза больше, чем у контроля. Это указывает на то, что ассимиляты накапливаются в варианте с Нанокремнием более длительное время, чем в контроле.
Работа фотосинтетического аппарата происходит в хлоропластах, благодаря светособирающему комплексу, включающему хлорофиллы А, В и каротиноиды. Установлено, что количество хлорофилла А, рассчитанного на абсолютно-сухую массу (рис.1), в контрольном варианте резко снижается к 1 июля (фаза кущения - начало трубкования), а в варианте с Нанокремнием снижение содержания хлорофилла А происходит незначительное и в фазе цветения. К периоду созревания содержание хлорофилла А в варианте с Винцитом в 1,5 раз больше, чем в контроле, а в варианте с Нанокремнием - в три раза больше, чем в контрольном варианте.
30 20 1 i \
АА 1 щ
10 0 'Г'
02 июня 06 июня 01 июля 07 июля 26 июля ■ Контроль Винцит нанокремний Рисунок 1 - Содержание хлорофилла А, мг на 1 г абсолютно-сухой массы
Известно, что содержание хлорофилла А к хлорофиллу В находится в соотношении 3:1, что подтверждается нашими исследованиями. Закономерность накопления хлорофилла В во всех вариантах соблюдается та же, что и для хлорофилла А (рис. 2).
02 июня 06 июня 01 июля 07 июля 26 июля ■ Контроль ■ Винцит ■ нанокремний Рисунок 2 - Содержание хлорофилла В, мг на 1 г абсолютно-сухой массы
Сумма хлорофиллов А и В соответствует тем же закономерностям, что для отдельных пигментов в динамике (рис. 3). Установлено существенное увеличение содержания пигментов, участвующих в фотосинтезе, под влиянием препарата. Так, если в фазе 4-х листьев (2 июля) хлорофилла в варианте с препаратом было на 10% больше, то в фазе начала цветения хлорофилла в опытном варианте было на 70% больше, что указывает на продление жизни зеленого листа и сохранения ассимиляционной деятельности. Максимальное содержание зеленых пигментов приходится на период фазы кущения - начала трубкования (6 июля) и снижается к началу цветения 7 июля, доходя до минимума в период созревания 26 июля. В варианте с Нанокремнием содержание зеленых пигментов в конце вегетации в три раза больше, чем в контрольном варианте и в два раза больше, чем в варианте с Винцитом. Это указывает на более длительную работу фотосинтетического аппарата пшеницы под влиянием препарата, обеспечивающего максимально высокий уровень поглощения солнечной энергии растительного покрова.
02 июня 06 июня 01 июля 07 июля 26 июля
■ Контроль Винцит нанокремний Рисунок 3 -Содержание зеленых пигментов в листьях яровой пшеницы Дарья
Желтые пигменты каротиноиды защищают хлорофиллы от фотовыцветания и окисления, а также играют роль в опылении и оплодотворении и входят в состав светособирающего комплекса фотосистемы 1 и фотосистемы 2. Их содержание в варианте с Нанокремнием в пересчете на сырую массу в период кущения - начала трубкования 1 июля практически не отличается ни от контроля, ни от варианта с Винцитом. Однако в пересчете на абсолютно сухую массу в 1,5 раза выше контроля, а в период созревания - в три раза выше контроля (рис. 4).
02 июня 06 июня 01 июля 07 июля 26 июля
■ Контроль ■ Винцит ■ нанокремний Рисунок 4 -Содержание каротиноидов, в мг на 1 г абсолютно сухой массы
Изучение влияния препаратов на урожайные данные пшеницы показало положительное влияние Нанокремния. Под влиянием обработки происходит увеличение размера колосьев пшеницы в 1,5-2 раза и по сравнению с контрольными и по сравнению с обработанными Винцитом (рис. 5).
Iе
1щ
Г. п* -
КОНТРОЛЬ
*Ш
гщ
ВИНЦИТ НАНОКРЕМНИЙ '
I
г
-
и
Рисунок 5 - Влияние препарата Нанокремний на размеры колосков пшеницы Дарья
Урожайность пшеницы в пересчете на гектар под влиянием Нанокремния возросла на 16% (табл. 2).
Таблица 2 - Влияние препаратов на урожайность пшеницы Дарья
Вариант Урожайность
ц/га % к контролю
Контроль 28,9 100,0
Винцит 31,4 108,7
Нанокремний 33,7 116,6
НСР05 1,7 -
Установлено, что урожайность пшеницы Дарья под влиянием обработки Винцитом увеличилась на 8% по сравнению с контролем без обработки, а под влиянием Нанокремния ее прирост составил 16,6% по сравнению с необработанными.
Увеличение урожайности пшеницы под влиянием Нанокремния произошло в основном за счет увеличения как количества зерен в колосе, так и за счет их массы (табл. 3).
Таблица 3 - Влияние препарата Нанокремний на структуру урожая пшеницы Дарья
Вариант Количество зерен в колосе, шт. Масса зерен в колосе, г Масса 1000 зерен,г Масса зерна, г/ м2
Контроль 37,6 1,2 28,4 289
Винцит 39,1 1,25 29,9 314
Нанокремний 40,1 1,3 31,0 337
НСР05 0,6 0,01 0,7 9,8
Достоверное увеличение урожайности яровой пшеницы сорта Дарья происходит при применении препарата Нанокремний на 16,6% и составляет 33,7 ц/га. При использовании Винцит, урожайность возрастает до 31,4 ц/га, что на 8,7% больше чем контроль.
Выводы: 1. Листовой индекс у пшеницы под влиянием Нанокремния увеличивается по сравнению с контролем на 28% и по сравнению с Винцитом -на 14%.
2. Установлено существенное увеличение содержания пигментов, участвующих в фотосинтезе, под влиянием Нанокремния. В фазе начала цветения хлорофилла в опытном варианте было на 70% больше, чем в контрольном, что указывает на продление жизни зеленого листа и сохранения ассимиляционной деятельности.
3. Под влиянием Нанокремния накопление Сахаров в листьях продолжается на неделю больше, чем у контрольных вариантов, а их содержание в два раза больше, чем у контроля.
4. Урожайность пшеницы Дарья под влиянием обработки Винцитом увеличилась на 8% по сравнению с контролем без обработки, а под влиянием Нанокремния ее прирост составил 16,6% по сравнению с необработанными.
б. Увеличение урожайности пшеницы под влиянием Нанокремния произошло за счет увеличения как количества зерен в колосе, так и за счет их массы.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Folnovic T. Benefits of Silicon on Plant Growth Agronomy Expert II URL: https:IIbIog.agrivi.comIpostIbenefits-of-siIicon-on-pIant-growth (дата обращения: 16.09.2019).
2. Silicon in Agriculture From Theory to Practice I Yo. Liang, M. Nikolic, R. Bélanger, H. Gong, A. Song. Springer Dordrecht Heidelberg. New York London: Springer Science+Business Media Dordrecht, 2015. 235 p.
3. Козлов A.B., Куликова A.X., Яшин E.A. Роль и значение кремния и кремнийсодержащих веществ в агроэкосистемах II Вестник Мининского университета. 2015. № 2. С. 1-9.
4. Куликова А.Х., Дронина О.С., Никифорова С.А. Эффективность предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур биопрепаратами и диатомитовым порошком в условиях Среднего Поволжья. Ульяновск: УГСХА, 2010. 211 с.
б. Сластя И.В. Агроэкологические аспекты применения соединений кремния в защите ячменя и кормовой свеклы: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Москва, 1997. 60 с.
6. Пашкевич Е.Б., Кирюшин Е.П. Роль кремния в питании растений и в защите сельскохозяйственных культур от фитопатогенов // Проблемы агрохимии и экологии. 2008. № 2. С. 52-57.
7. Что такое нанокремний II URL: http:IInano-si.com/чтo-тaкoe-нaнoкpeмний (дата обращения: 17.09.2019).
В. Ничипорович A.A. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах (методы и задачи учета в связи сформированием урожаев). М., 1961. С. 135.
9. Физиология и биохимия растений: метод. указания / Решецкий Н.П. и др. Горки, 2000. 144 с.
10. Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. Москва: Высш. шк., 1975. 392 с
11. Семина A.C., Мачнева В.В. Урожай и качество зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от сорта // Зерновое хозяйство. 2005. № 3. С. 23-24.
12. Методика полевого опыта с основами статистической обработки результатов исследований / Б.А. Доспехов 5 изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
13. Ничипорович A.A. Некоторые принципы комплексной оптимизации фотосинтетической деятельности и продуктивности посевов // Научные труды. Важнейшие проблемы фотосинтеза в растениеводстве. М.: Изд-во «Колос», 1970. С. 6-37.
14. Федоров Н.И. Продуктивность пшеницы. Саратов: Приволж. кн. изд-во, 1980. 176 с.
15. Изучение действия нанокремния на фотосинтетическую продуктивность яровой пшеницы I Н.Е. Павловская, Д.Б. Бородин, A.A. Хорошилов, И.В. Яковлева // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2017. № 7 (153). С. 12-1В.
