Продукционные и физиолого-биохимические процессы яровой пшеницы в связи с качеством урожая при некорневой обработке микроудобрением жусс-2
На правах рукописи
Кузнецова Наталия Анатольевна ПРОДУКЦИОННЫЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В СВЯЗИ С КАЧЕСТВОМ УРОЖАЯ ПРИ НЕКОРНЕВОЙ ОБРАБОТКЕ МИКРОУДОБРЕНИЕМ ЖУСС-2 03.01.05 – физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва - 2010 2
Работа выполнена на кафедре ботаники и физиологии растений ФГОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет»
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор ПАХОМОВА ВАЛЕНТИНА МИХАЙЛОВНА
Официальные оппоненты:
д.б.н., профессор Миловская Нина Тихоновна к.б.н., доцент Яковлева Ольга Сергеевна
Ведущая организация: Российский университет дружбы народов «24» июня 2010 г. в 1400 часов
Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 220.043.08 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., д. 49, ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева Автореферат разослан 22 мая 2010 г. и размещен на сайте университета www.timacad.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор С.Л. Белопухов Список сокращений ЖУСС – жидкие удобрительно – стимулирующие составы;
кД – килодальтон;
ЛФСП – листовой фотосинтетический потенциал;
ПЛ – площадь листьев;
СОД – супероксиддисмутаза;
ТМ – тяжелые металлы;
ФАР фотосинтетически активная радиация;
ЧПФ – чистая продуктивность фотосинтеза;
Мr – молярная масса;
ЭТЦ – электронно-транспортная цепь.
1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время особенно актуальной является задача получения качественной, экологически чистой и сбалансированной по химическому составу сельскохозяйственной продукции, в частности продовольственного зерна.
Решение данной задачи возможно на основе использования всех ресурсов повышения продуктивности и качества сельскохозяйственных культур, в том числе за счет оптимизации минерального питания. Одним из агротехнических приемов, повышающих количественные и качественные показатели урожая пшеницы, является применение микроудобрений (Таланов, 2005;
Гайсин, Хисамеева, 2007 и др.).
В последние годы разработаны хелатные микроудобрения марки ЖУСС (жидкие удобрительно-стимулирующие составы), пригодные для разнопланового применения. В ранее проведенных исследованиях оценивалась эффективность предпосевной обработки семян или сочетания предпосевной обработки семян с некорневой подкормкой растений препаратами ЖУСС (Муртазин, 2002;
Исмаилова, 2005;
Гайсин, Хисамеева, 2007;
Амиров, 2007).
При этом были изучены продукционные процессы и технологические показатели качества зерна.
Однако физиолого-биохимический механизм действия данных микроудобрений остается мало изученным. Кроме того, недостаточно исследована и физиология некорневых подкормок растений.
Цель и задачи исследований. Целью нашей работы явилось изучение механизма действия медь-молибденового ЖУСС-2 при некорневой обработке в рекомендуемых для производства концентрациях на продуктивность и качество урожая яровой пшеницы. Исходя из указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать действие ЖУСС-2 различной кратности обработки на продукционные процессы яровой пшеницы.
2. Изучить влияние этих обработок на ряд физиолого-биохимических показателей и процессов яровой пшеницы (водный статус, фотосинтез, дыхание, донорно-акцепторные отношения, спектр растворимых белков, поглотительную, ферментативную и антиоксидантную активность).
3. Изучить влияние ЖУСС-2 на основные качественные показатели урожая яровой пшеницы.
4. Дать оценку экономической эффективности применения некорневой обработки ЖУСС-2.
Научная новизна. Впервые дана комплексная морфофункциональная оценка яровой пшеницы в связи с продукционными процессами под влиянием хелатного Cu, Mo-содержащего микроудобрения марки ЖУСС-2. Установлено, что некорневая обработка вегетирующих растений пшеницы данным микроудобрением повышает антиоксидантную активность клеток корней.
Высказано положение о том, что возрастание антиоксидантной активности является одним из механизмов увеличения определенных морфо функциональных показателей корневой системы. Впервые изучен спектр растворимых и запасных белков пшеницы при данной обработке.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обработка вегетирующих растений яровой пшеницы, возделываемой на почвах с низким содержанием меди и молибдена, хелатным микроудобрением ЖУСС-2, включающим данные микроэлементы, является одним из эффективных приемов повышения продуктивности и урожайности.
Увеличение урожайности не сопряжено со снижением технологических показателей зерна.
2. Увеличение продуктивности и урожайности при данной обработке обусловлено оптимизацией ряда физиолого-биохимических показателей и процессов (водного статуса, фотосинтеза, дыхания, донорно-акцепторных отношений, поглотительной, ферментативной и антиоксидантной активности) и морфологических показателей растений пшеницы, что свидетельствует о полифункциональном действии ЖУСС-2.
3. Некорневая обработка яровой пшеницы Cu,Mo-содержащим микроудобрением ЖУСС-2 приводит к улучшению качества семян за счет обогащения микроэлементами медью и молибденом.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяют рекомендовать способ повышения продуктивности и обогащения семян яровой пшеницы микроэлементами через некорневые обработки растений микроудобрением марки ЖУСС-2. Экспериментальные данные диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе по биологическим и агрономическим специальностям при чтении курсов лекций «Физиология растений», «Биохимия растений», «Растениеводство», «Агрохимия», а также спецкурсов «Биохимия зерна», «Физиология продукционного процесса» и «Минеральное питание».
Личный вклад соискателя. В 2004 - 2005 гг. совместно с Даминовой А.И. определяли урожайность и сухую массу растений. Остальные исследования проведены самостоятельно.
Публикации. Всего опубликовано 13 статей, из них 5 по теме диссертации.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на международной научно–практической конференции (Ульяновск, 2009), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Казанского ГАУ (2004 - 2008 гг.).
Объем работы. Диссертация изложена на 221 странице и состоит из введения, трех глав, выводов;
содержит 26 таблиц;
23 рисунка;
приложения.
Список использованной литературы включает 225 наименований, из которых 30 работ зарубежных авторов.
Работа выполнялась при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№ 03-04-96226 р-2005 татарстан а) и НИОКР АНТ (№ 04-4.5-157/2005 (ф)).
2. Условия и методика проведения исследований Объектом исследования являлась яровая пшеница сортов Люба (2004 2005 гг.) и МиС (2006 - 2008 гг.), районируемые в РТ.
Полевые опыты проведены на опытных полях Учхоза КазГАУ на серой лесной почве среднесуглинистого механического состава. Участок имел ровный микрорельеф. Почва хорошо окультуренная. По данным А.И.
Даминовой (2006), почва характеризовалась следующими агрохимическими показателями: рНсол. пахотного слоя составляла 5,4;
Р2О5 в среднем – 139 мг/кг, К2О – 94 мг/кг, аммонийного азота – 7,8 мг/кг, нитратного азота – 15 мг/кг, гумуса – 3,2 %, подвижных форм меди – 3,0 мг/кг (близкое к бедному) и молибдена – 0,11 мг/кг (очень бедное).
Технология возделывания общепринятая для яровой пшеницы в данной зоне. Предшественник – озимая рожь. Удобрение вносились в дозе N60 P60 K под предпосевную культивацию. В качестве минерального удобрения использовалась нитроаммофоска (16:16:16) в дозе по физическому весу кг/га. Посев проводили рядовым способом сеялкой СН-16 на глубину 5 - 6 см с нормой высева 6 млн. всхожих семян на 1 га. Учетная площадь контрольного и опытного вариантов составляла по 40 м2 (по 10 м2 в 4-х повторностях каждый вариант). Урожай убирали прямым комбайнированием «Сампо-500».
Метеорологические условия в годы исследований складывались следующим образом. Вегетационный период 2004 год был переувлажненным.
В июне и июле 2005 г. (в фазу выхода в трубку и колошения-цветения) также отмечалось существенное превышение количества осадков. Вегетационный период 2006 года характеризовался недостаточным количеством выпавших осадков по сравнению со средними многолетними значениями. В 2007 году наблюдалось неравномерное выпадение осадков: формирование вегетативной массы сопровождалось засухой, а цветение и налив зерна – превышением осадков. Вегетационный период 2008 года был переувлажненным.
Схема полевых опытов:
- 1 вариант – контроль (пшеница без обработки);
- 2 вариант – растения опрыскивались 0,1% раствором Cu,Mo-ЖУСС- однократно в фазу кущения;
- 3 вариант – растения обрабатывались этим препаратом двукратно в фазах кущения и выхода в трубку;
- 4 вариант – растения обрабатывались трехкратно в фазах кущения, выхода в трубку и колошения.
Характеристика ЖУСС- В качестве лиганда для производства ЖУСС-2 (ТУ 2189-002-ОП 2789377698) используется моноэтаноламин. Внешний вид – жидкость темно синего цвета, содержание меди – 32 - 40 г/л, молибдена – 14 - 22 г/ л, моноэтаноламина – 170 - 200 г/л, рН – 10 - 11. рН рабочего раствора (0,1%) – 7,0 - 7,5. Препарат ЖУСС-2 запатентован (№ 2162285). Разработчик – д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой агрохимии и почвоведения КазГАУ, член корр. АНТ, лауреат премии РАН им. Д.Н. Прянишникова Гайсин И.А. ЖУСС- введен в «Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации» (рег. № 19-8002 (9333) 0309-1). Площадь применения ЖУСС в РФ и СНГ составляет более миллиона гектаров (Гайсин, Хисамеева, 2007).
В полевых опытах определяли учет густоты стояния растений в фазу полных всходов и перед уборкой путем подсчета на 3-х площадках по 0,33 м на каждом варианте;
нарастание надземной биомассы - по фазам развития растений путем взвешивания растительных проб;
структуру урожая – методом индивидуального анализа растений пробных снопов, отобранных с постоянных площадок (по 0,33 м2 в трехкратной повторности по каждому варианту);
вес 1000 семян – по ГОСТ 9353-90;
лабораторную всхожесть семян – по ГОСТ 10968-72. Урожайность учитывали путем поделяночного обмолота с пересчетом на 100% чистоту и стандартную влажность;
массовую долю белка определяли по ГОСТ – 10846-91;
количество и качество клейковины в зерне пшеницы – по ГОСТ 1356.1- 68, натуру – по ГОСТ 10840-64, стекловидность – по ГОСТ 10987-64. Содержание растворимого белка определяли спектрофотометрически с добавлением кумасси G-250 (Bradford, 1976);
спектр растворимых белков (Laemmli, 1970) и запасных белков зерна (Конарев, 2000) – одномерным электрофорезом;
относительное содержание (в %) растворимых полипептидов определяли по площади пика на денситограмме в программе Scion Image. Площадь листовой поверхности определяли методом промеров высоты и ширины основания листа с расчетом по формуле S = 2/3 k · x, где k – ширина основания листа и x – высота листа, S – площадь листьев в см (Аникиев и др., 1961);
содержание фотосинтетических пигментов – спектрофотометрически (Гавриленко и др., 1975);
накопление углерода в листьях – мокрым сжиганием (по Аликову, цит.: по Третьяков, 2003);
активность оксидазы гликолевой кислоты в листьях – колометрически по превращению гликолата в глиоксилат (Колесников, 1962);
интенсивность дыхания листьев – манометрически в аппарате Варбурга (Семихатова, Чулановская, 1965);
донорно-акцепторные отношения – по отношению величины массы колоса в период налива к массе листьев в фазу цветения (Кумаков, 1980);
ЛФСП рассчитывали по формуле Ничипоровича (Ничипорович, 1961);
продуктивность флагового листа – по отношению веса зерна к площади флагового листа (Шевелуха и др., 1980);
чистую продуктивность фотосинтеза – формуле Ничипоровича (1961). Интенсивность транспирации листьев определяли весовым методом (Иванов, 1950);
общее содержание воды в листьях – весовым методом после их высушивания до постоянного веса при температуре 1050С (Медведев и др., 1996);
водоудерживающую способность – методом подсушивания (Медведев и др., 1996). Содержание меди в зерне оценивали методом атомно-абсорбционной спектроскопии (Чернавина и др. 1978), молибден – фотометрически с использованием цинк–дитиола (Ягодин и др., 1987). Расчет экономической эффективности проводили на основе технологических карт по действующим нормативам и расценкам.
Методика модельного опыта Семена пшеницы замачивали на 1 сутки в водопроводной воде и затем высевали на стекло, покрытое влажной марлей и помещенное в кювету с 0, мМ CaCl2. При подготовке к опыту растения с корнями легко извлекались без повреждений. Проростки выращивали при комнатной температуре и освещении 10000 лк с фотопериодом 16/8 ч и опрыскивали однократно изучаемым препаратом. Растения однократно опрыскивали исследуемым препаратом в концентрации 0,1% (расход препарата аналогичен расходу в полевом опыте).
Показания снимали через сутки после опрыскивания 6-дневных проростков.
Анализировали по 10 растений в 3 - 4 кратной повторности.
В модельных опытах активность каталазы в корнях определяли спектрофотометрически по разложению перекиси водорода (Aebi, 1984);
содержание перекиси - спектрофотометрически (Jiang et al., 1990);
нитратредуктазы проростков, выращенных на среде с 3мМ NO3- (Полесская и др., 2006) - спектрофотометрически по образованию нитрита (по Яворскому цит. по: Медведев и др., 1996). Поглощение калия корнями интактных проростков оценивали по изменению его количества в инкубационной среде (2.10 - 4М K2SO4) на пламенном фотометре ПФМ–101. Зону корневых волосков корней определяли микроскопически;
общую и рабочую адсорбирующую поверхность корневой системы – колориметрически по поглощению метиленовой сини (по И.И. Колосову, цит. по: Воскресенская и др., 2008). Для определения рабочей и адсорбирующей поверхности корней, их длины и зоны всасывания брали 7-дневные растения. Анализировали по 10 растений в 3 - 4 кратной повторности. Интенсивность фотосинтеза листьев определяли манометрически в аппарате Варбурга по изменению газообмена при освещении 10000 лк (Семихатова, Чулановская, 1965;
Гавриленко и др., 1975).
Статистическая обработка данных проводилась дисперсионным методом (Доспехов, 1973) и методом математической статистики (Плохинский, 1970) с программным обеспечением Exсel. Данные таблиц представляют собой средние значения из 3 - 4 повторностей характерного опыта с ошибкой. О достоверности разницы между вариантами судили по критерию Стьюдента при уровне значимости Р0,05 и НСР0,5. Символ «*» обозначает недостоверность различий между контрольным и опытным вариантами.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на продукционные процессы яровой пшеницы Урожайность пшеницы при некорневой обработке ЖУСС- увеличивалась в 3 - 4 вариантах (на 7 - 31%);
в 2005 году – в 4 варианте (на 15%) (табл. 1).
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на урожайность (ц/га) яровой пшеницы Годы исследований Варианты 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г.
(Люба) (Люба) (МиС) (МиС) (МиС) 1 31,8 31,9 25,2 24,1 35, 2 32,7 31,2 26,2 24,6 36, 3 38,1 32,7 27,1 29,3 37, 4 40,8 36,8 31,7 31,5 41, НСР0,5 2,5 2,0 1,7 1,5 1, Анализ структуры урожая в 2006 году показал, что трехкратная некорневая обработка растений привела к увеличению числа зерен в колосе (на 11 - 14%), веса колоса (на 11 - 33%), веса зерна с главного колоса (на 12 - 34%), веса зерна с одного растения (на 17 - 31%), массы 1000 зерен (на 8 - 11%). В 2007 - 2008 годах двукратная обработка положительно влияла на вес колоса (на 15 - 32%), вес зерна с главного колоса (на 5 - 21%), вес зерна с одного растения (на 17 - 22%), массы 1000 зерен (на 7 - 10%). Трехкратная обработка увеличивала все элементы структуры урожая (на 9 - 14%).
В 2006-2007 годах положительное действие на число продуктивных стеблей оказала лишь трехкратная обработка (на 4 - 13%), а в 2008 году – во всех опытных вариантах. Высота растений оставалась на уровне контроля.
Сохранность растений к уборке при некорневой подкормке ЖУСС- яровой пшеницы сорта МиС оставалась на уровне контроля во все годы исследований.
3.2. Физиолого-биохимические механизмы действия некорневой обработки ЖУСС- Общеизвестно, что одним из физиологических процессов, определяющих продукционные процессы растений, является фотосинтетическая деятельсноть.
Традиционно фотосинтетическую деятельность растений в полевых условиях оценивают по интенсивности накопления сухого вещества растений, величине листовой поверхности, чистой продуктивности фотосинтеза, содержанию фотосинтезирующих пигментов и др. Площадь листьев увеличивалась при двух- и трехкратных обработках во все годы исследований (на 12 - 25%).
Максимальное увеличение наблюдалось в 2005 году в фазу колошения – цветения в 4 варианте (на 25%) (табл.2).
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на площадь листьев яровой пшеницы за вегетационный период, тыс. м2 / га Годы Вари- Фазы вегетации исследо- анты ваний кущение выход в трубку колошение (сорт) цветение 1 17,9 ± 1,3 21,9±2,0 31,3±1, 2005 2 22,1 ± 1,0* 24,5±2,1* 34,2±1,9* (Люба) 3 « 26,9±1,0 37,3±1, 4 « « 39,6± 2, 1 17,4±0,9 21,7±0,8 29,8±1, 2 20,4±0,7* 23,6±0,8* 32,8±0,9* 2006 3 « 25,8±1,3 33,9±0, (МиС) 4 « « 34,5 ± 1, 1 16,4 ±1,4 21,9 ± 1,7 30,9±3, 2 16,8 ± 1,2* 22,2 ± 2, 4* 34,3±2,6* 2007 3 « 26,3±0,9 38,6±0, (МиС) 4 « « 38,7± 0, 1 17,0±0,7 23,5±1,3 31,4±0, 2008 2 17,7±0,9* 27,4±0,9* 31,7±0,8* (МиС) 3 « 27,7±1,2 35,3±1, 4 « « 35,4±1, Путем объединения показателей устойчивости листового покрова во времени (т.е. длительности существования листовой поверхности) и индекса листовой поверхности (ЛИ) в качестве интегрального показателя было введено понятие листового фотосинтетического потенциала (ЛФСП). Листовой фотосинтетический потенциал (ЛФСП) увеличивался в 3 и 4 вариантах во все годы исследований (на 15 - 25%) (табл. 3).
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на листовой фотосинтетический потенциал яровой пшеницы за вегетационный период, тыс. м2 · дней/га Годы кущение – выход в выход в трубку – исследо- Варианты трубку колошение ваний цветение (сорт) 1 278,9±9,4 372,6 ±13, 2005 2 326,4±6,8* 433,0±10,5* (Люба) 3 « 449,4±10, 4 « 465,3±15, 1 243,9±11,9 360,8±10, 2006 2 285,3±17,1* 375,0±6,1* (МиС) 3 « 417,6±5, 4 « 422,0±7, 1 268,0±12,1 370,0±23, 2007 2 273,5±16,3* 395,6±18,9* (МиС) 3 « 454,4±6, 4 « 455,0±5, 1 283,5±7,7 384,3±18, 2008 2 317,8±6,4* 413,7±13,7* (МиС) 3 « 441,0±10, 4 « 442,0±14, Площадь флагового листа, играющего главную роль в наливе зерна, под действием некорневой обработки препаратом ЖУСС-2 оставалась без изменений и составляла в среднем 15,4 см2.
Содержание хлорофилла а в листьях в 2007 году увеличилось в фазу колошения – цветения в 4 варианте (на 30%). Содержание каротиноидов и хлорофилла b не менялось.
Продуктивность флагового листа увеличивалась в 2007 году во всех опытных вариантах (на 23 - 62%), в 2008 году – в 3 - 4 вариантах (на 35 - 43%).
Сухая масса растений увеличивалась в 3 - 4 вариантах во все годы исследований (на 11 - 41%), причем наибольшее увеличение наблюдалось в варианте в фазу колошения – цветения в 2008 году.
Величина прироста сухой массы растений за определенный период вегетации определяется балансом интенсивностей фотосинтеза, фотодыхания и дыхания в дневное и ночное время суток. Отражением этого баланса является чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ), которая у пшеницы и других колосковых злаков обычно рассчитывается на единицу площади листьев или единицу содержания хлорофилла в целом растение (Андрианова, Тарчевский, 2000). ЧПФ в наших экспериментах повышалась в 2005 - 2008 годах в период кущения – выхода в трубку в 3 варианте (на 15 - 23%), от выхода в трубку до колошения - цветения в 3 - 4 вариантах (на 11 - 22%) (табл. 4). Увеличение содержания углерода в листьях в фазу выхода в трубку в 3 варианте составляло 11 - 32% и в фазу колошения – цветения в 3 - 4 вариантах – 13 - 35% (табл. 5).
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС- на чистую продуктивность фотосинтеза, г/м2 · сутки Годы кущение – выход в выход в трубку – исследо- Варианты трубку колошение-цветение ваний (сорт) 1 5,7 ±0,3 10,0 ±0, 2005 2 5,8±0,1* 10,1±0,5* (Люба) 3 6,9±0,4 10,9±0, 4 « 11,0±0, 1 4,7±0,2 9,6±0, 2006 2 5,7±0,2* 9,8±1,0* (МиС) 3 5,8±0,1 10,6±0, 4 « 10,9±0, 1 5,3±0,3 8,9±0, 2007 2 5,5±0,3* 9,7±0,9* (МиС) 3 6,1±0,2 10,21±0, 4 « 10,33±0, 1 5,9±0,3 11,6±0, 2008 2 6,1±0,4* 12,2±1,0* (МиС) 3 6,8±0,3 13,4±1, 4 « 14,2±0, В модельном эксперименте интенсивность истинного фотосинтеза листьев после некорневой обработки проростков препаратом ЖУСС- повышалась на 17% (табл. 6).
Таким образом, под влиянием данной обработки увеличиваются, по определению Ю.Е Андриановой и И.А. Тарчевского, 2000, как факторы «емкости» (площадь листьев и ЛФСП), так и «интенсивности» фотосинтеза (ЧПФ, продуктивность флагового листа, интенсивность фотосинтеза, накопление углерода). Наибольшее увеличение характерно для продуктивности флагового листа (23 - 62%). Площадь флагового листа и в большинстве случаев содержание фотосинтетических пигментов не меняются.
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на содержание углерода в листьях яровой пшеницы за вегетационный период, мг / дм Годы Вари- Фазы вегетации исследо- анты кущение выход в трубку колошение ваний цветение (сорт) 1 29,25 ± 0,47 43,55 ± 0,40 50,04 ± 2, 2005 2 34,79 ± 0,63* 44,12 ± 0,49* 55,93 ± 1,29* (Люба) 3 « 48,33 ± 1,20 59,22 ± 1, 4 « « 60,46 ± 0, 1 23,77 ± 0,59 32,04 ± 0,24 46,33 ± 0, 2006 2 30,99 ± 4,45* 34,50 ± 1,65* 47,54 ± 0,69* (МиС) 3 « 36,15 ± 0,69 52,96 ± 1, 4 « « 50,94 ± 0, 1 25,77 ± 0,55 32,22 ± 1,07 47,36 ± 1, 2007 2 30,59 ± 0,36* 33,11 ± 0,80* 49,54 ± 1,57* (МиС) 3 « 37,84 ± 0,53 53,20 ± 1, 4 « « 54,31 ±1, Таблица Влияние ЖУСС-2 на интенсивность истинного фотосинтеза листьев проростков пшеницы (модельный опыт) мг СО2 / дм2 · час Вариант Контроль 2,49 ±0, ЖУСС-2 2,91 ± 0, Возрастание фотосинтетической деятельности под влиянием хелатного Cu, Mo-содержащего микроудобрения обусловлено, по всей вероятности, полифункциональностью действия микроэлемента меди. Общеизвестно, что медь входит в состав компонентов ЭТЦ хлоропластов и митохондрий, а также ферментов антиоксидантной защиты клеток (Cu/Zn – СОД, аскорбатоксидазу и полифенолоксидазу). В то же время установлено, что последние предотвращают разрушение фотосинтетического аппарата в результате фотоингибирования и деградацию хлорофилла (Алехина и др., 2007).
Необходимо подчеркнуть, что содержание меди в вегетативных надземных органах пшеницы увеличивалось после всех трех обработок, но не превышало ПДК (Даминова, 2006).
Безусловно, определенную роль в активизации фотосинтетической деятельности яровой пшеницы при обработке вегетирующих растений Cu-, Mo ЖУСС играет антиоксидантное и ростстимулирующее действие биолиганда этого хелатного микроудобрения – этаноламина (Даминова, 2006).
Кроме того, многочисленные опыты позволили выявить прямую зависимость фотосинтеза от интенсивности экспорта ассимилятов листа (донорно-акцепторных отношений) (Чиков, 1997). Донорно-акцепторные отношения в наших полевых опытах стимулировались в 2007 году в 4 варианте (на 61%), а в 2008 году – в 3 - 4 варианте (на 28 - 39%).
В то же время активизация донорно-акцепторных отношений, приводит к снижению фотоокислительных процессов, которые зависят от соотношения между массой образующихся продуктов фотосинтеза и емкостью потребляющих их органов (то есть от интенсивности экспорта продуктов из листа к потребляющим органам) (Чиков, 1987, 1996). Следует обратить внимание на то, что активность одного из ферментов фотодыхания – оксидазы гликолевой кислоты – в листьях в полевых опытах снижалась в фазу кущения во 2 варианте на 24%, а в фазу колошения – цветения – в 4 варианте на 25%. Не исключено, что это связано с подавлением данного процесса, снижающего продуктивность сельскохозяйственных культур.
Под влиянием ЖУСС-2 во всех опытных вариантах и во все фазы полевого опыта снижалась и интенсивность дыхания: в фазу кущения на 16 31%, выхода в трубку на 9 - 44%, колошения – цветения на 7 - 55% (табл. 7).
Снижение дыхания и, возможно, фотодыхания в этих условиях являются одними из механизмов повышения урожайности за счет снижения окисления фотоассимилятов.
Двукратная некорневая обработка ЖУСС-2 приводила в условиях засухи в 2006 и 2007 гг. в фазу выхода в трубку к увеличению общего содержания воды (на 7 и 8%) и водоудерживающей способности листьев (на 16 и 27%).
В эти же годы интенсивность транспирации снижалась в фазы кущения и выхода в трубку при одно- и двукратной обработке ЖУСС-2 (на 6 - 23%);
в фазу колошения-цветения в 2006 году во всех опытных вариантах (на 7 - 12%, соответственно), а в 2007 году – лишь при трехкратной обработке (на 41%).
Следует отметить, что интенсивность транспирации пшеницы зависит, с одной стороны, от напряженности атмосферных факторов, таких как температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха, скорость ветра, осадки, а с другой – от обеспеченности растений водой. Немаловажную роль играют и физиологические особенности растений (Третьяков и др., 1998;
Хамаев, 2003 и др.) Оптимизация ряда показателей водного статуса, очевидно, является одной из причин повышения засухоустойчивости яровой пшеницы при некорневой обработке микроудобрением ЖУСС-2, показанного ранее аспиранткой нашей кафедры А.И. Даминовой (2006).
Некорневая обработка ЖУСС-2 приводила к увеличению общей адсорбирующей и рабочей (деятельной) поверхности корней 7-дневных проростков в модельном опыте (недеятельная адсорбирующая поверхность корней этих проростков не отличалась от контрольного варианта) (табл. 8). Под влиянием данного препарата наблюдалось увеличение зоны корневых волосков по отношению к общей длине корней 7-дневных проростков яровой пшеницы (на 11%). Общая длина корней не отличалась от контрольного варианта при действии ЖУСС-2.
Таблица Влияние ЖУСС-2 на дыхание листьев яровой пшеницы (мкл О2/ г сырой массы · час) Годы Фазы вегетации исследо- Варианты кущение выход колошение ваний в трубку цветение (сорт) 1 756,0±20,1 753,7±18,9 704,4±1, 2 519,9±36,4 610,7±5,4 423,4±2, (Люба) 3 - 458,3±6,1 316,5±13, 4 - - 408,7±11, 1 769,1±8,6 775,0±11,39 611,8±1, 2006 2 563,4±8,8 548,5±2,0 548,1±2, (МиС) 3 - 437,7±1,3 426,9±2, 4 - - 334,9±4, 1 565,1±5,2 712,3±2,6 775,6±35, 2 473,0±1,2 621,4±17,3 719,6±16, (МиС) 3 - 565,1±12,9 659,4±20, 4 - - 696,9±8, 1 683,8±22,7 748±8,7 732,4±11, 2008 2 553,3±4,8 683,3±9,3 594,5±9, (МиС) 3 - 562,7±11,6 425,9±5, 4 - - 372,1±12, Таблица Влияние ЖУСС-2 на адсорбирующую поверхность корней проростка яровой пшеницы сорта МиС (в модельном опыте) Адсорбирующая поверхность корней, м Варианты общая рабочая недеятельная Контроль 0,45 ± 0,02 0,12 ± 0,01 0,33 ± 0, ЖУСС-2 0,53 ± 0,01 0,22 ± 0,03 0,32 ± 0,03* Примечание: измерения проводили через сутки после опрыскивания 6-дневных проростков.
Кроме того, регистрировалось и увеличение поглотительной активности корней интактных проростков в модельном опыте: поглощение ионов калия повышалось под действием некорневой обработки ЖУСС-2 на 6% (табл. 9).
Таблица + Влияние ЖУСС-2 на поглощение К корнями интактных проростков пшеницы сорта Люба (в модельном опыте) Вариант мкэкв / г сырой массы Контроль 5,87±0, ЖУСС-2 6,20±0, Примечание: среда инкубации корней интактных 6-дневных проростков 2·10 - 4 М K2SO4;
измерения проводили через сутки.
Активность нитратредуктазы корней проростков в модельном опыте повышалась в 2 раза (рис. 1). Активирование фермента, очевидно, обусловлено влиянием молибдена изучаемого препарата, поскольку нитратредуктаза – гем – и молибденсодержащий флавопротеин (Алехина и др., 2007).
контроль ЖУСС- Рис. 1. Влияние ЖУСС-2 на активность нитратредуктазы, мкМ NO2- / мг белка (модельный опыт) В модельном эксперименте опытного варианта наблюдалось снижение содержания одной из активных форм кислорода перекиси водорода (на 30%).
Известно, что утилизация пероксида осуществляется комплексом ферментов:
каталазой, семейством пероксидаз, ферментами аскорбатглутатионового цикла – аскорбатпероксидазой и глутатионредуктазой (Алехина и др., 2007). В наших исследованиях наблюдалась активизация одного из ферментов антиоксидантной защиты - каталазы. Активность каталазы в корнях 7-дневных проростков пшеницы в модельном опыте (через сутки после опрыскивания 6 дневных проростков) увеличилась на 45%, и снижалось содержание перекиси водорода.
Причина активирования каталазы, на наш взгляд, заключается в следующем. В ранее проведенных на нашей кафедре исследованиях (Даминова, 2006 г.) установлено, что некорневая обработка яровой пшеницы ЖУСС- сопровождается активированием супероксиддисмутазы, превращающей супероксиданионрадикал в перекись водорода. Накопление перекиси водорода, по-видимому, приводит к активированию ферментов, утилизирующих ее, в том числе каталазы.
Таким образом, изучаемый нами препарат проявляет выраженный антиоксидантный эффект, что подтверждает проведенные ранее исследования (Даминова, 2006). Мы полагаем, что антиоксидантное действие является одной из причин повышения морфо-функциональных показателей корневой системы.
Общее содержание растворимых белков в листьях пшеницы в полевом опыте в фазы колошение-цветение (через 7 дней после опрыскивания) не изменялось во всех опытных вариантах.
Не менялся и спектр полипептидов под действием обработки. С помощью электрофоретического разделения растворимых белков листьев было обнаружено 25 полос с молекулярной массой от 16 до 78 кД: 78,75, 73, 72, 69, 68, 67, 65, 64, 58, 55, 54, 50, 47, 45, 43, 41, 39, 36, 34, 31, 24, 20, 18, 16.
Содержание полипептидов и групп полипептидов: 47, 36 - 31, 24 кД было более высоким, а полипептидов и групп полипептидов 78 - 72, 69, 68, 67 - 65, 54, 50, 45 - 39 кД более низким. Наиболее высоким было содержание групп полипептидов 67 - 55 и 45 - 39 кД.
Ране нами отмечалось увеличение водоудерживающей способности растений при обработке вегетирующих растений ЖУСС-2. В то же время известно (Самуилов, 1968;
Гусев, 1974;
Хамаев, 2003 и др.), что возрастание водоудерживающей способности клеток у растений на фоне умеренной засухи обусловлено изменениями в обмене веществ – увеличением количества водорастворимых белков. Рост содержания водорастворимых белков рассматривается как приспособительная ответная реакция растений на действие неблагоприятных факторов. Их более высокая гидрофильность обусловливает повышенное содержание наиболее прочно связанной воды.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о положительном действии некорневой обработки яровой пшеницы хелатным микроудобрением марки ЖУСС-2 на ряд морфологических и физиолого биохимических показателей и в конечном итоге урожайность, что свидетельствует о полифункциональном действие ЖУСС-2. Основой полифункциональности ЖУСС-2, по нашему мнению, является его антиоксидантный эффект, поскольку высокое содержание активных форм кислорода отрицательно действует практически на все физиологические процессы растений (Пахомова, Гайсин, 2008).
3.3. Действие некорневой обработки ЖУСС-2 на качественные показатели урожая яровой пшеницы Технологические показатели качества зерна не менялись и составляли натура – 761 г/л, стекловидность – 59%, массовая доля белка – 13,2%, массовая доля сырой клейковины – 26, 7%, группа – I - II, класс – III.
Полученные данные свидетельствуют о том, что активизация нитратредуктазы (ключевого фермента азотного обмена растений) под влиянием ЖУСС-2 не сопровождается повышением содержания белка в зерне и вегетативных органах пшеницы. Одной из причин этого может быть снижение фотодыхания, поскольку оно является одним из путей биосинтеза аминокислот, входящих в состав белка.
Следует подчеркнуть, что неоднократно отмечалось снижение качественных характеристик зерна пшеницы при повышении урожайности (Ничипорович,1961;
Конарев, 2000;
Андрианова, Тарчевский и др., 2000).
Таким образом, положительное влияние некорневой обработки ЖУСС- проявляется и в повышении урожайности яровой пшеницы без снижения качества зерна.
Проведение электрофоретического анализа спектра запасных белков (проламина) семян анализируемых образцов показало отсутствие качественных различий между вариантами опыта.
Содержание меди и молибдена в зерне увеличивалось практически во всех опытных вариантах (табл. 10). Аналогичные данные получены и на сорте Люба (Даминова, 2006;
Галияхметов, 2007).
Таблица Влияние некорневой обработки ЖУСС-2 на содержание меди и молибдена в зерне, мг/кг (сорт МиС) Годы исследо- Варианты Содержание Содержание ваний меди в зерне, молибдена в мг/кг зерне, мг/кг 1 1,92±0,09 0,38±0, 2007 2 2,20±0,08 0,4±0,03* 3 2,84±0,16 0,46±0, 0,5±0, 4 3,1±0, ПДК 10 3.4. Экономическая эффективность применения некорневой обработки ЖУСС-2.
Экономическая оценка применения ЖУСС-2 выявила его эффективность при двух- и трехкратной обработке во все годы исследований. В 2004 - 2005 г.г.: рентабельность повысилась на 13 - 30% (Даминова, 2006), в 2006 - 2008 г.г. – на 3 - 25%, величина чистого дохода – на 7 - 61%;
себестоимость снизилась на 2 - 14%.
ВЫВОДЫ 1. Двух- и трехкратная некорневая обработка яровой пшеницы Cu, Mo содержащим хелатным микроудобрением марки ЖУСС-2 является одним из технологических приемов повышения продуктивности и урожайности данной культуры, возделываемой на почве с низким содержанием меди и молибдена.
2. Некорневая подкормка яровой пшеницы препаратом ЖУСС- приводит к активизации фотосинтетической деятельности, донорно– акцепторных отношений, поглотительной и нитратредуктазной активности корней, а также к оптимизации ряда показателей водного статуса вегетирующих растений, что свидетельствует о полифункциональном действии данного микроудобрения.
3. Обработка вегетирующих растений яровой пшеницы микроудобрением ЖУСС-2 оказывает антиоксидантное действие на клетки корней растений, активизируя один из ферментов антиоксидантной защиты каталазу и снижая содержание перекиси водорода. Системный антиоксидантный эффект препарата, по нашему мнению, лежит в основе полифункционального действия, в том числе увеличения определенных морфо-функциональных показателей корневой системы.
4. Увеличение урожайности не сопровождается снижением технологических показателей качества зерна. Натура, стекловидность, массовая доля белка, массовая доля сырой клейковины, группа и класс во всех опытных вариантах не отличались от контроля.
5. Спектр запасных белков (проламина) семян, а также общее содержание и спектр растворимых белков в листьях пшеницы не изменяются под влиянием обработки вегетирующих растений микроудобрением ЖУСС-2. Однако наблюдались количественные изменения определенных полипептидов и групп полипептидов в листьях пшеницы.
6. Некорневая обработка яровой пшеницы препаратом ЖУСС-2 является одним из способов обогащения семян микроэлементами медью и молибденом.
7. Двух- и трехкратная некорневая обработка яровой пшеницы данным микроудобрением экономически эффективна во все годы исследований.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Ведущие рецензируемые научные журналы и издания ВАК Минобрнауки РФ 1. Пахомова В.М. Состав растворимых и запасных белков яровой пшеницы при оптимизации минерального питания / В.М. Пахомова, Е.К.
Бунтукова, И.В. Галияхметов, Н.А. Кузнецова // Зерновое хозяйство, 2007, № 5. – С. 22-23.
2. Пахомова В.М. Обработка растений микроудобрениями ЖУСС как способ повышения урожайности и качества продукции / В.М. Пахомова, Н.А.
Кузнецова, Е.К. Бунтукова, Р.Н. Хабиров, И.В. Галияхметов // Агрохимический вестник, 2007, № 4. – С. 17-18.
3. Пахомова В.М. Урожайность и качество урожая яровой пшеницы при оптимизации минерального питания в связи с физиологическими процессами / В.М. Пахомова, Е.К. Бунтукова, Н.А. Кузнецова // Вестник Казанского Государственного Аграрного Университета, 2009. - № 2. – С. 149-154.
4. Пахомова В.М. Морфофункциональная характеристика и урожайность яровой пшеницы при некорневой обработке хелатными микроудобрениями марки ЖУСС–2 и ЖУСС–4 / В.М. Пахомова, Е.К. Бунтукова Е.К., Н.А.
Кузнецова, Н.М. Фомина //Агрохимический вестник, 2009. - № 4. – С. 10-12.
Статьи в материалах конференций 1. Пахомова В.М. Фотосинтетическая деятельность и урожайность яровой пшеницы при оптимизации минерального питания / В.М. Пахомова, Е.К. Бунтукова, Н.А. Кузнецова. Материалы международной научно – практической конференции «Инновации сегодня: образование, наука, производство», посвященной 70 – летию профессора Костина В.И. Ульяновск:
Ульяновская ГСХА, 2009, С. 133 – 138.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н., профессору, заведующей кафедрой ботаники и физиологии растений КазГАУ, лауреату золотой медали РАСХН им. К.А. Тимирязева, Соросовскому профессору Пахомовой В.М., а также к.б.н., доценту Бунтуковой Е.К. и всем сотрудникам кафедры ботаники и физиологии растений КазГАУ за помощь в проведении исследований и оформлении диссертации.
Препарат любезно предоставлен разработчиком д.с.-х.н., профессором, заведующим кафедрой агрохимии и почвоведения КазГАУ, член-корр. АНТ, лауреатом премии РАН им. Д.Н. Прянишникова Гайсиным И.А.