Россия
Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.03 Сельскохозяйственная биология
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 56 Сельское хозяйство
В кратком изложении обобщены собственные многолетние экспериментальные данные полевых и лабораторных опытов по изучению функционального состояния растений при краткосрочном и отдаленном действии жидких удобрительных стимулирующих составов (ЖУСС), разработанных в Казанском ГАУ в результате междисциплинарных исследований. Установлена полифункциональность их действия на растения: стимуляция ростовых процессов, активизация протекторных ферментов антиоксидантной защиты клеток, фотосинтетической и поглотительной деятельности, антистрессорный эффект и др. Применение этих препаратов эффективно при двух- и трехкратном воздействиях. Положительные эффекты ЖУСС пролонгированы во времени в связи с концентрированием в семенах растений микроэлементов, входящих в состав ЖУСС. Полифункциональный механизм их влияния приводит к активизации продукционных процессов растений, росту урожайности и качества сельскохозяйственной продукции в связи с эффектом биофортификации. Разработана интегральная схема полифункциональности действия препаратов ЖУСС. На основе конвергентных знаний (междисциплинарных исследований) агрохимии, химии и физиологии и биохимии растений в Казанском ГАУ созданы эффективные хелатные микроудобрения марки ЖУСС, рекомендуемые для широкого применения на бедных по микроэлементному составу почвах, с целью повышения в различных климатических условиях урожайности и качества урожая культурных растений в связи с эффектом биофортификации. Применение этих препаратов эффективно при двух- и трехкратном воздействиях.
хелатные микроудобрения, марка ЖУСС, полифункциональный механизм, действие и последействие
Введение. В Казанском государственном аграрном университете при научном содружестве трех кафедр – агрохимии, общей химии, ботаники и физиологии растений – были разработаны технологии синтеза новых жидких хелатных форм микроудобрений марки ЖУСС и изучен полифункциональный механизм их действия. В течение четверти века были проведены многочисленные полевые и лабораторные междисциплинарные исследования, показавшие высокую эффективность их действия в практике растениеводства. Коллектив ученых под руководством Гайсина И.А. за изобретение микроудобрений нового поколения (ЖУСС) удостоен в 2000 г. Госпремии РТ. Пахомова В.М. За цикл работ по устойчивости растений, в том числе при действии ЖУСС, удостоена Российской Академией сельскохозяйственных наук в 2006 г. Золотой медали им. К.А. Тимирязева.
Данные препараты включают по одному, двум или трем сочетаниям разных микроэлементов, недостающих в условиях определенного агрофитоценоза на основе «закона минимума» [1]. Лигандами этих микроудобрений служат моно- и диэтаноламин (МЭА и ДЭА) и лимонная кислота. Препараты ЖУСС отличаются устойчивостью при разном рН, гидрофильны и хорошо прилипаемы, экологичны, незначительно связываемые почвой, не агрессивны к пестицидам. Синтезировано 15 вариантов ЖУСС с разным микроэлементным составом: Cu-B, Cu-Mo, Cu-Zn, Zn-B, Co-B, Co-Mo, Zn-Mo, Cu-Mn и др. Они зарегистрированы в Государственном каталоге пестицидов и агрохимикатов для использования в России (рег. № 19-8002 (9333) – 0309 – 1) и внедрены на территории более миллиона гектар в РФ и за рубежом.
Цель данной работы – представить научное обоснование применения этих препаратов на основе краткого обобщения собственных экспериментальных данных по исследованию функционального состояния растений при действии и последействии жидких удобрительных стимулирующих составов (ЖУСС).
Условия, материалы и методы исследований. Объект исследований – яровая пшеница сорта Люба, Прохоровка и МиС. Многолетние полевые опыты (2000 – 2016 гг.) при разных климатических условиях проведены на опытных полях Учхоза Казанского ГАУ. Лабораторные эксперименты по изучению механизма действия препаратов ЖУСС (в том числе Cu, Mo-содержащего ЖУСС-2) при некорневой подкормке растений проводятся до настоящего времени.
Строение хелатных микроудобрений марки ЖУСС [2]:
где Kt n + - Сu2+, Zn2+ и т.д., R2 = Н, НОСН2СН2.
Лигандом ЖУСС-2 является МЭА. Он проявляет ростстимулирующее действие (АС. СССР №852302) и легко комплексуется с Kt n + [2].
Такие комплексоны (на основе солей меди) стабильны при избытке МЭА. Молярное соотношение Kt+2 к МЭА составляет от 1:3 до 1:6. При таких условиях комплексные соединения устойчивы и в сильно разбавленном состоянии.
Комплексонаты Сu на основе МЭА хорошо сочетаются с борной и молибденовой кислотами и солями этих кислот. Совместное применение неорганических солей Cu и Mo отличается низкой эффективностью: при этом образуется малорастворимый и малодоступный для растений СuМоО4.
МЭА хорошо влияет на растворимость H3BO3, (NH4)2МoO4 или молибденовой кислоты, что приводит к получению концентрированных растворов хелатных микроудобрений.
Препарат марки ЖУСС-2 по внешнему виду представляет собой темно-синюю жидкость с содержанием (в г на л) Cu 32…40, Mo 14…22, МЭА 170…200 и pH 10…11.
Изучение функционального состояния растений проводилось с применением ряда физико-химических методов: микроскопического, фотометрического, манометрического, денситометрического, электрофоретического, хроматографического, спектроскопического и др.
Анализ и обсуждение результатов исследований. На клеточно-организменном и агрофитоценотическом уровнях организации установлены следующие эффекты ЖУСС: снижение энергозатрат на сохранение гомеостаза клеток, интенсивности гликолатного цикла, транспирации и фенотипической изменчивости ряда морфологических параметров растений, стимуляция роста, фотосинтеза, нитратредуктазной активности и оттока фотосинтатов в запасающие органы растений, возрастание количества связанной воды, увеличение зоны поглощения корней и их транспортной функции и, в конечном итоге, увеличение продуктивности и урожайности растений. Значимый эффект проявлялся при двукратном (в фазах кущения и выхода в трубку) и трехкратном (в фазах кущения, выхода в трубку и колошения) воздействиях [2, 3, 4].
Важно, что наблюдался эффект биофортификации [5] (концентрирование микроэлементов, входящих в состав ЖУСС, в семенах и вегетативных органах растений, увеличение количества эссенциальных аминокислот), количественное уменьшение в вегетативных органах Н2О2 и О2─• и метаболита липопероксидации малонового диальдегида, а в семенах - Pb, Cd, Ni, Cr, Hg и As, Cs и Cr, что в итоге улучшало качественные показатели конечной продукции [3].
В то же время не менялись спектр запасных белков, а также натура, стекловидность, массовая доля сырой клейковины зерна. Ультраструктурных изменений клеток листьев и корней под действием ЖУСС также не зарегистрировано.
Одни из самых значимых влияний ЖУСС – повышение засухо-, жаро-, холодо- и солеустойчивости растений, а также положительный цитогенетический эффект, одним из механизмов которых является активизация антиоксидантной (АО) системы защиты клеток (повышение активности таких ферментов, как супероксиддисмутаза, пероксидаза и каталаза) [2, 6, 7].
Наиболее ярко протекторный эффект этих препаратов проявлялся в экстремальных климатических условиях [3]. Показана ведущая роль микроэлементов Cu, Mn, Zn и Fe, входящих в состав ЖУСС, в повышении резистентности растений при стрессирующих воздействиях. Близкие результаты установлены и другими авторами [8, 9, 10]. Не исключено, что одной из причин этого может быть также возрастание количества гидрофильных полипептидов и, как следствие, водоудерживающей способности клеток и тканей. В наших экспериментах зарегистрировано количественное изменение некоторых гидрофильных полипептидов в растениях (увеличение количества полипептидов с М.м. 94 и 145 кДа и уменьшение - с М.м. от 13 до 66 кДа) [3].
Доказано, что протекторный эффект ЖУСС характеризуется долгосрочным действием на основе концентрирования в зерне микроэлементов, входящих в состав ЖУСС и, как следствие, активизации ферментов антиоксидантной защиты [2, 3].
Аналогичные результаты были получены другими экспериментаторами при обработке растений пшеницы в ходе вегетации раствором CuSO4. Сформировавшиеся семена аккумулировали значительно больше меди (≈ на 60 %). Урожайность растений, выращенных из таких семян, была также больше [11].
На основании вышеизложенного нами разработана интегральная схема механизма краткосрочного и долгосрочного влияния жидких удобрительных стимулирующих составов (ЖУСС).
Выводы. 1. На основе конвергентных знаний (междисциплинарных исследований) агрохимии, химии и физиологии и биохимии растений в Казанском ГАУ созданы эффективные хелатные микроудобрения марки ЖУСС, рекомендуемые для широкого применения на бедных по микроэлементному составу почвах, с целью повышения в различных климатических условиях урожайности и качества урожая культурных растений в связи с эффектом биофортификации. Применение этих препаратов эффективно при двух- и трехкратном воздействиях.
2. Микроудобрения ЖУСС отличаются полифункциональным механизмом краткосрочного и долгосрочного действия, характеризующимся снижением энергозатрат на сохранение гомеостаза клеток, активизацией их антиоксидантной защиты и фотосинтетической деятельности, оптимизацией минерального питания и водного обмена клеток, усилением ростовых процессов и оттока ассимилятов в запасающие органы, а также повышением стрессороустойчивости растений. Ведущая роль в повышении резистентности растений к стрессовым условиям принадлежит таким микроэлементам в составе ЖУСС, как Cu, Mn, Zn и Fe.
1. Торшин С.П. Агрохимия / С.П. Торшин, В.В. Кидин. - М.: Изд-во Проспект, 2018. - 608 с.
2. Пахомова В.М. Устойчивость и защита растений при оптимизации минерального питания / В.М. Пахомова, И.А. Гайсин. - Казань: Издательский дом «Меддок», 2008. - 212 с.
3. Гайсин И.А. Полифункциональные хелатные микроудобрения: практика применения и механизм действия / И.А. Гайсин, В.М. Пахомова. - Казань: Изд-во Казан. Ун-та, 2016. - 316 с.
4. Прохоренко Н.Б. Морфологические параметры и урожайность у растений яровой пшеницы сорта Люба при оптимизации минерального питания / Н.Б. Прохоренко, В.М. Пахомова, Р.Н. Хабиров, Е.В. Даньшина // Сельскохозяйственная биология. - № 5. - 2008. - С.43-47.
5. Битюцкий Н.П. Минеральное питание растений: учебник / Н.П. Битюцкий. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2014. - 540 с.
6. Doonan J.H. Genetic approaches to understand how plants cope with genotoxic stress and maintain genome stability / J.H. Doonan, C. Nibau, Fiona Corke, et al. // Proceedings of the second international symposium molecular aspects of plant redox metabolism and the international scientific school the role of reactive oxygen species in plant life. Ufa, June 26-July 1, 2017. - P. 33-36.
7. Hallivel B. DNA damage by oxygen-derived species / H. Hallivel, O.I. Aruoma // FEBS Lett. - 1991. - Vol. 281. - P. 9-19.
8. Тютюма Н.В. Роль микроэлементов в стимулировании роста и развития растений и повышении их устойчивости к неблагоприятным условиям среды / Н.В. Тютюма // Вестник РУДН. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. - 2003. - № 8. - С. 129-133.
9. Алехина Н.Д. Физиология растений / Н.Д. Алехина, Ю.В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко / Под ред. И.П. Ермакова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 640 с.
10. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур / Е.И. Кошкин. - М.: ДРОФА, 2010. - 638 с.
11. Kataki P.K. Performance of micronutrient enriched wheat seeds on three soil tipes / P.K. Kataki, S. Bedi, C.L. Arora, J.G. Lauren, J.V. Duxbury // J. New Seeds. - 2001. - 3. - № 4. - Р. 13-21.
