Эколого-агрохимические аспекты применения селена под зерновые культуры и козлятник на черноземах лесостепи среднего поволжья
На правах рукописи
ВИХРЕВА ВАЛЕРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СЕЛЕНА ПОД ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ И КОЗЛЯТНИК НА ЧЕРНОЗЕМАХ ЛЕСОСТЕПИ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ Специальности: 03.02.08 – экология (биология) 06.01.04 – агрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Владимир – 2011
Работа выполнена на кафедре Химии в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия».
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Надежкина Елена Валентиновна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович доктор биологических наук Гармаш Нина Юрьевна доктор сельскохозяйственных наук, профессор Зинченко Сергей Иванович Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийской научно исследовательский институт информации агрономии и экологии «ВНИИ Агроэкоинформ»
Защита диссертации состоится 7 октября 2011 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.025.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ) по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, факультет химии и экологии, диссертационный совет ДМ 212.025.07.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра экологии.
Автореферат разослан _ 2011 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Мищенко Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В ряду экологических факторов, влияющих на состояние и здоровье человека, существенное действие оказывают микроэлементы, среди которых наименее изученным является селен.
Вместе с тем за последние 20-30 лет появилось много данных в России и за рубежом (Ермаков, Ковальский, 1974;
Ермаков, 2004;
Перепелкина, 2009;
Егоров с соавт., 2009;
Шацких, 2009;
Salman et al., 2009), свидетельствующих о необходимости селена для нормальной жизнедеятельности организма человека и животных. Показано, что прогрессирующий дефицит данного элемента в растительных кормах и пище человека во многих странах мира и отдельных регионах Российской Федерации является одной из причин нескольких десятков тяжелых заболеваний, включая сердечно-сосудистые, инфаркт миокарда, инсульт онкологические, диабет, тяжелые поражения печени и расстройства половой системы, иммунодефицит, болезнь Кашина-Бека и т.д. (Авцын с соавт., 1991;
Решетник, 2000;
Тутельян с соав.,2002;
Neve,1996;
Beck, Levander, 1998;
Koehrle el.at.,2000;
Schrauser, 2003).
Вместе с тем отмечается, что селен поддерживает нормальное состояние не только антиоксидантной, но и детоксицирующей и иммунной систем организма (Никитина с соавт., 1995;
Блинохватов, 2000;
Hill, Burk, 1997;
Combs et al., 2001). К настоящему моменту известно, что он входит в структуру активного центра глутантионпероксидазы – одного из ключевых антиоксидантных ферментов, который предотвращает накопление в тканях свободных радикалов, инициирующих перекисное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот и других соединений (Племенков, 2007;
Foster, Sumar, 1997;
Flone et al, 2000, Arthur, 2000, Salman, 2009).
Коррекции дефицита селена в пище человека и рационах животных препятствует малая изученность содержания и пространственного распределения его в природных компонентах территорий, в первую очередь в почвах, а также недостаточность данных о накоплении элемента в растениях конкретных почвенно - климатических зон.
В литературе имеются материалы по адсорбированию селена различными растениями (Ермаков, Ковальский, 1974;
Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989;
Дудецкий с соав., 1992;
Торшин с соавт., 1996;
Голубкина, 1999;
Кузнецов, 2004), но сведения об общих и частных функциях этого микроэлемента в сельскохозяйственных культурах малочисленны и противоречивы (Ягодин с соавт., 1992;
Аникина с соавт., 2002;
Никитина, 2002;
Серегина, 2008;
Terry el.al., 2000;
Cartes el.al.,2005).
Недостаточность данных о действии селенсодержащих солей на формирование продуктивности зерновых и кормовых культур, на устойчивость растений в условиях нагрузок, вызванных биотическими и абиотическими факторами – засухой, кислотностью и засолением почв, средствами химизации и защиты растений, вызывает необходимость всестороннего изучения этих вопросов.
Цель работы состояла в экологическом обосновании ростостимулирующей и антиоксидантной роли селена в растениях и разработке рациональных приемов использования селенсодержащих соединений для улучшения процессов формирования продуктивности зерновых и кормовых культур, коррекции селенодефицита в продуктах питания и кормах для животных в оптимальных и стрессовых условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья.
В задачи исследований входило:
– дать агроэкологическую оценку содержания селена в черноземных почвах на изучаемой территории и изменения количества микроэлемента при различной интенсивности антропогенного воздействия;
– оценить аккумуляцию селена дикорастущими и культурными растениями, динамику накопления ими микроэлемента на разных стадиях развития;
– выявить оптимальный диапазон ростостимулирующих концентраций селена для обработки семян, посевов и зону токсического действия микроэлемента на растения;
– выяснить особенности действия селеносодержащих соединений на ранних этапах органогенеза зерновых культур и козлятника;
– оценить экологическую роль селена в формировании продукционного процесса в оптимальных условиях и при адаптации сельскохозяйственных культур к различным стрессам;
– выявить причины антистрессового эффекта соединений селена на растения;
– показать возможность и эффективность коррекции дефицита селена в растениях при использовании различных доз, форм селенсодержащих соединений и способов их применения.
Научная новизна. В условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья впервые проведены комплексные агроэкологические исследования по изучению роли селена в биохимической системе «почва – растение». Определено содержание его в основных подтипах чернозема и накопление в растительных ассоциациях, выявлены особенности распределения микроэлемента в органах растений.
Дано теоретическое обоснование особенностей роста, развития зерновых культур и козлятника под влиянием селенсодержащих соединений и условий их применения.
Показано, что ростостимулирующий эффект селеновых соединений вызван их способностью стимулировать клеточное деление, снижать негативные последствия стрессовых факторов, повышать интенсивность фотосинтеза. Выявлена сортовая специфика действия селена на продукционный процесс зерновых культур и козлятника.
Выяснено влияние селена на физиологические процессы в ходе органогенеза яровой пшеницы при оптимальной и кислой реакции среды.
Раскрыты закономерности формирования продуктивности культуры при повышенной кислотности черноземных почв. Выявлена сортовая специфика изменения величины рН питательного раствора корневыми экссудатами при обработке семян селеном.
Установлено положительное влияние низких доз селена при обработке семян и посевов яровой пшеницы, ячменя и козлятника, которые увеличивают адаптивные возможности и продуктивный потенциал этих культур.
Проведен анализ действия разных соединений селена и способов их использования на продуктивность изучаемых культур.
Определено, что одним из возможных механизмов адаптогенного и протекторного действия селена является его способность оказывать влияние на ферменты антиоксидантной системы (супероксиддисмутазу, глутатионредуктазу, аскорбатпероксидазу, пероксидазу, каталазу и др.) и некоторые низкомолекулярные антиоксиданты (каротиноидиды и аскорбиновую кислоту), а также на протеиназную активность и свободный пролин.
Практическое значение работы. Выявленные зависимости содержания селена в черноземах от подтиповых особенностей, содержания гумуса, реакции почвенной среды, характера использования почв позволяют косвенно судить о селеновом статусе растений.
Установленные параметры накопления селена в местных видах дикорастущих растений, адаптированных к климатическим и почвенным условиям региона, открывают перспективы интродукции нетрадиционных и редких растений.
Использование соединений селена для увеличения сопротивляемости стресс-чувствительных сельскохозяйственных растений к стрессовым внешним воздействиям создает возможность получения растительной продукции с оптимальным содержанием этого микроэлемента при интенсивных технологиях земледелия.
Экспериментально обоснована экологическая роль селена в регулировании адаптивного потенциала и повышении устойчивости растений к неблагоприятному воздействию окружающей среды (патент на открытие № 2181240 от 20.04.2002 «Способ оценки солеустойчивости растений»).
Доказана целесообразность использования микроколичеств селената натрия для предпосевной обработки семян и посевов козлятника, ячменя и яровой пшеницы (патент на открытие № 2183394 от 20.06.2002 «Способ стимуляции всхожести семян»). Показано, что применение микроэлемента необходимо не только для повышения обеспечения селеном растений, животных и человека, но и с целью выживаемости сельскохозяйственных культур в вегетационный период, а также для увеличения их урожайности, особенно в условиях действия неблагоприятных экологических факторов.
На черноземах с повышенной кислотностью экспериментально определено антиоксидантное действие селена, что позволяет рекомендовать использование его в стресс-протекторной концентрации 10-4% для обработки семян.
Определенное положительное влияние селена на адаптацию ярового ячменя к стрессу, вызываемому действием пестицидов, дает основание для использования его солей в баковой смеси с гербицидами.
Материалы исследований вошли в региональные рекомендации по производству зерновых культур, две монографии и учебное пособие «Основы общей экологии».
Результаты исследований по применению селеновых солей используются в учебном процессе кафедры химии ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Биохимия растений», «Химия окружающей среды».
Основные положения работы, выносимые на защиту:
– специфика накопления селена растениями на черноземных почвах в зависимости от их видовых и сортовых особенностей, фаз роста и развития, антропогенного фактора и погодных условий;
– реализация коррекции селенодефицита использованием низких концентраций селена для обогащения зерновых культур и козлятника путем обработки семян, посевов и внесения в почву;
– роль селена в интенсификации как адаптогенного и протекторного фактора ростовых процессов на начальном этапе органогенеза сельскохозяйственных культур при разных экологических условиях выращивания;
– оценка ростостимулирующей и защитной функций селена в оптимальных условиях и при адаптации растений к стрессам различного происхождения;
влияние селеновых солей на физиолого-биохимические процессы и формирование продукционного процесса сельскохозяйственных культур;
– теоретическое обоснование и практическая реализация применения селена для снижения действия негативных факторов на формирование урожайности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Международных, Всероссийских и Региональных научно-практических конференциях (Москва, 2001, 2003, 2004, 2005, 2008, 2009 гг;
Орел, 2001;
Ульяновск, 2002;
Минск, 2004;
Владикавказ, 2004;
Саратов, 2004;
Пенза-Нейбранденбург, 2004, 2005;
Санкт-Петербург, 2006;
Пенза, 2000, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.), на IV-V Международных симпозиумах (Москва-Пущино, 2001, 2003);
на съездах Общества физиологов растений России (Москва, 1999;
Пенза, 2003).
Предлагаемые приемы использования селената натрия прошли производственную проверку в хозяйствах Пензенской области: ЗАО «АПК Нечаевский», ООО «Петровский хлеб», «Пензенская зерновая компания».
Под руководством автора выполнены и защищены две кандидатские диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ – 15, две монографии и одно учебное пособие. Получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений. Экспериментальный материал приведен в 54 таблицах, рисунках и 48 приложениях;
обзор литературы представлен в соответствующих главах. Список используемой литературы состоит из наименований, в том числе 160 зарубежных авторов.
Все научные положения диссертации разработаны лично автором. В решении отдельных вопросов в разное время принимали участие Е.Н.
Кузин, Т.И. Балахнина, В.К. Гинс, А.А. Костычев, А.В. Остапчук, О.С.
Зуева, Т.В. Клейменова, Е.В. Ермякина, М.В. Жуленева, которым автор выражает искреннюю благодарность.
Особая признательность научному консультанту профессорам А.Ф.
Блинохватову, Е.В. Надежкиной, Т.Б. Лебедевой, А.Н. Кшникаткиной, А.И. Иванову, В.Н. Хрянину, В.Д. Коротневу за методические советы и поддержку при проведении исследований и подготовке диссертации.
ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Абиотические и эдафические особенности района исследований Исследования проводили в 2001-2009 гг. в Пензенской области, территория которой расположена в правобережной лесостепи Среднего Поволжья на западном склоне Приволжской возвышенности. Эта территория характеризуется высокой активностью эрозионных процессов, плакорной растительностью злаково-разнотравных луговых степей, вовлеченных в сферу активного сельскохозяйственного использования.
Климат умеренно-континентальный, с резкими температурными контрастами, периодически промывным водным режимом, высокой инсоляцией, интенсивной ветровой деятельностью. Среднегодовое количество осадков – 551 мм, за вегетационный период – 263 мм, сумма активных температур 10С – 2339,2С, гидротермический коэффициент (ГТК) за вегетацию около 1,0. Погодные условия в годы исследований отражали особенности климата, ГТК варьировал от 0,89 до 1,58. 2002, 2006 и 2009 гг. характеризовались как годы недостаточного увлажнения (ГТК 0,9);
2005, 2007 гг. – умеренного увлажнения (ГТК 0,9-1,0);
2001, 2003, 2004, 2008 гг. – достаточного увлажнения (ГТК 1,1). Сумма активных температур выше 10С изменялась от 2301 до 2762С.
Основная площадь земель в области (76,9%) занята черноземами трех подтипов: оподзоленными (6,9% земельной площади), выщелоченными (53,1%) и типичными (7,2%). Отличительной особенностью оподзоленных и выщелоченных черноземов является повышенная кислотность и средняя насыщенность основаниями.
Удельный вес кислых почв с разной степенью кислотности достаточно высок (более 90%). На 1 января 2010 г. сильнокислые почвы составляли 6,8%, среднекислые – 57,6% и слабокислые – 28,8% от обследованной площади. В пахотном слое 48% всех черноземных почв содержание гумуса более 6,0%. Черноземы имеют среднюю обеспеченность доступными для растений формами фосфора, калия, марганца, молибдена;
высокую – бора, низкую – цинка. Микроэлемент селен в этих почвах до наших исследований не определялся.
1.2 Объекты и методы исследований Для решения поставленных задач были проведены исследования по аккумуляции селена в целинных (залежных) и пахотных черноземах – оподзоленных, выщелоченных и типичных (по Классификации…, 1977г.), а также в растениях естественных и культурных агроценозов: степей – памятников природы области, ФГУП «Учхоз «Рамзай» Пензенской ГСХА», ЗАО «АПК Нечаевский», СПК «Пустынское».
Образцы почв отбирали из верхнего слоя парных разрезов (целина – пашня) в соответствии с ГОСТ 17.44.02-84, готовили к анализу по методу Ковальского – Гололобова (1969). Селен (Se) определяли атомно – адсорбционным методом. Одновременно на исследуемых участках брали растительные пробы.
Динамику изменения и содержания селена в корневой и надземной массе растений прослеживали в основные фазы роста и развития двудольных: стеблевание – ветвление, бутонизация – цветение, образование плодов;
однодольных – выход в трубку, колошение, молочная и полная спелость. Образцы отбирали с постоянно закрепленных площадок в пяти повторностях. Объектами изучения были растения семейств Fabaceae, Brassiaceae, Asteraceae, Poligonaceae, Poaceae и др. Во всех растительных образцах селен определяли флуорометрическим методом с 2,3 диаминонафталином (МУ 4.1.044-95).
Изучение ростостимулирующей функции и протекторного действия селена в растениях осуществляли в период с 2001г. по 2009 г. Всего выполнено 25 экспериментов, в том числе 5 полевых, 6 вегетационных и 14 лабораторных опытов. Исследования проводили в лабораториях, вегетационном домике, теплице, опытном поле учхоза ПГСХА, на полях ООО «Петровский хлеб» и ОАО «Пензенский тепличный комбинат», в лаборатории физиологии растений ФГОУ ВПО «Пензенский педагогический университет им. В.Г. Белинского», ФГУ «Государственный центр агрохимической службы «Пензенский», Институте фундаментальных проблем биологии РАН (г. Пущино).
Объектами исследований были: яровая пшеница (Tritikum aestivum L.) сортов Тулайковская 10, Кинельская 59, Нива 2, Новосибирская 29;
яровой ячмень (Hordeum distichon L.) – Аннабель, Нутанс 642, Одесский 100;
козлятник восточный (Galega orientalis) сортов Гале и Горноалтайский 87;
козлятник лекарственный (Galega officinalis). Выбор данных объектов обусловлен тем, что эти сельскохозяйственные культуры, и в первую очередь пшеница, в основном определяют величину обеспеченности продуктов питания населению и кормов для животных селеном.
Полевые опыты выполнены в соответствии с методическими указаниями (Доспехов, 1985;
Воробьев с соавт., 1990). Повторность в опытах трех – пятикратная, размещение вариантов рендомизированное и систематическое, площадь делянок 5-50 м2.
Почва в опытах с яровой пшеницей и козлятником – чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый, пахотный слой которого характеризовался следующими агрохимическими показателями:
содержание гумуса (по Тюрину в модификации ЦИНАО ГОСТ 26213-84) – 5,71-8,34%, подвижных форм азота (по Корнфилду МУ-85) – 87-226 мг/кг, Р2О5 и К2О (по Чирикову) – 100-178 и 113-146 соответственно, (ГОСТ 262.04-91), Se – 110-180 мкг/кг почвы;
рНкcl 4.6-5.8, Нг (по Каппену) – 6,7 7,9 мг-экв, S – 26,3-36,0 мг-экв./100г почвы (по Каппену – Гильковицу), V = 79,7-82,0%.
В опытах с ячменем почва – чернозем оподзоленный среднемощный среднесуглинистый имел следующие показатели: содержание гумуса 4.02 4.38%, подвижных форм азота – 98-124 мг/кг, Р2О5 и К2О – 48-57 и 96- мг соответственно, Se – 130-150 мкг/кг почвы;
рНкcl 5.01-5.20, Нг – 5.35 6.10 мг-экв., S – 24,8-29,7 мг-экв./100 г почвы, V – 79,5-83,0%.
Вегетационные опыты проводили в почвенной культуре в сосудах мкостью 1-5кг воздушно-сухой почвы (Журбицкий, 1968). Почва в опытах чернозем выщелоченный и оподзоленный. Повторность в опытах пяти-семи-кратная.
О действии селена в оптимальных и стрессовых условиях на начальном этапе органогенеза пшеницы, ячменя и козлятника при обработке семян и посева растворами 10-1-10-7% концентрации судили: по линейным показателям роста корней и проростков, накоплению биомассы на 14 сутки, силе роста (ГОСТ 12036-66), общей и рабочей адсорбирующей поверхности корней по Д.А. Сабанину – И.И. Колосову [Практикум по физиологии растений,1982], энергии и всхожести семян (ГОСТ 12038-84).
У козлятника, кроме того, определяли митотическую активность корневых меристем по З.П. Паушевой (1988) и корневые индексы – отношение средней длины корней растений, выращенных в кислой среде, к длине корней в среде, близкой к нейтральной (Климашевский, 1991).
Экстремальные условия моделировали: засуху, гипотермию, гипоксию – по общепринятым методикам (Удовенко с соав., 1970;
Практикум по физиологии растений, 1982);
засоление – хлоридом натрия (Методическое руководство, 1988);
кислотность – 1М НCl;
изменение рН – корневыми экссудатами по И.Г. Широких с соавт. (2001);
пестицидную нагрузку – обработкой семян фунгицидами, посева – гербицидами.
Выяснение степени действия селена на физиолого-биохимические процессы при адаптации растений к стрессу осуществляли путем регистрации изменений активности основных антиоксидантных ферментов: супероксиддисмутазы (СОД), глутатиотредуктазы (ГР), аскорбатпероксидазы (АсП), пероксидазы (ПР), каталазы (КАТ) и низкомолекулярных антиоксидантов–аскорбиновой кислоты (АК) и каротиноидов (КАР). Активность ферментов определяли в супернатантах.
Использовали полностью сформировавшиеся первичные листья проростков 6-ти суточного возраста. Применяли ферментный экстракт из 5г растительной массы, который растирали с 4,5 мл среды разрушения, содержащей 50 мМ К/Na фосфатного буфера (рН 7.4), 0,1 мМ ЭДТА и 2%-ный поливинилпирролидон. Активность ферментов анализировали:
СОД – по методу C.N. Giannopolitis, S.K. Ries (1977);
ГР – по M. Schaede, J. Bassham (1977);
АсП – по V. Nakan, K. Asada (1981);
перекисные процессы по Л.С. Андреевой с соавт. (1988);
каталазу и пероксидазу – по Бояркину [Практикум по биохимии растений, 1985]. Протеиназную активность изучали у 3-х и 7-ми дневных проростков, накопление свободного пролина в листьях – по методу L. Bates et. al. (1973).
Для характеристики фотосинтетической деятельности проводили определение следующих показателей: содержание хлорофиллов а и б, соотношение хлорофилла а к хлорофиллу б (Практикум по физиологии растений, 2003);
площадь ассимиляционной поверхности листьев – по стандартным формулам (Кумаков, 1985);
фотосинтетический потенциал и чистую продуктивность фотосинтеза (Ничипорович, 1961).
Особенности формирования продуктивности зерновых культур оценивали по структуре урожая при уборке (Методика …, 1971).
Учет урожая в полевых и вегетационных опытах проводили путем сплошной уборки с последующим взвешиванием биомассы.
Для установления качества зерна определяли: содержание белка – расчетным методом (Кокарев, 1997), количество и качество клейковины (ГОСТ 13586.1), массу 1000 зерен (ГОСТ 12042-80).
Результаты исследований анализировали математическими методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа Доспехов, 1985 с применением программ «Statictic» и «Statgarafic».
ГЛАВА 2 АККУМУЛЯЦИЯ СЕЛЕНА В ОБЪЕКТАХ БИОСФЕРЫ 2.1 Биологические функции селена Представлен обзор исследований по изучению функций селена в живых организмах. Показано, что эссенциальность микроэлемента связана с его участием в многочисленных биологических процессах как непосредственно (в составе селенопротеинов), так и косвенно (путем влияния на деятельность ферментов, не содержащих селен). Отмечено, что дефицит селена приводит к дестабилизации клеточных мембран за счет их окислительной деструкции. При этом нарушается согласованность работы мембраносвязанных ферментов, что проявляется в снижении активности процессов клеточного дыхания, синтеза макроэргических соединений, в нарушении всех обменных процессов. В конечном итоге это приводит к возникновению тяжелых заболеваний человека и животных.
2.2 Аккумуляция селена в почвах и растениях В процессе исследования выявлено, что количество селена в верхних горизонтах черноземов почв Пензенской области изменяется от 59 до мкг/кг почвы. Содержание микроэлемента зависит от подтиповых особенностей, характера использования почв, содержание в них гумуса, реакции почвенной среды и других показателей.
Почвы основных подтипов чернозема (в рамках имеющейся выборки) имели среднее содержание общих форм селена: чернозем типичный – 33515 мкг/кг почвы выщелоченный – 15316 мкг/кг, оподзоленный – 928 мкг/кг.Обеспеченность селеном пахотного слоя чернозема типичного оценивается как оптимальная, выщелоченного – недостаточная, оподзоленного – дефицитная (по шкале пороговых значений, предложенной I.Tan et. al., 2002).
Длительное сельскохозяйственное использование черноземов привело к снижению селена в верхних горизонтах одного и того же подтипа на 18-27% по сравнению с их целинными или длительно залежными аналогами (рис. 1), что связано в первую очередь с потерей гумуса и кальция из почвы в результате антропогенного воздействия.
Среднее содержание селена, мкг/кг целина пашня Типичный Выщелоченный Оподзоленный подтипы чернозема Рисунок 1 – Содержание селена в верхних горизонтах целинных и пахотных черноземов Статистическая обработка полученных данных позволила выявить экспоненциальную зависимость содержания общего селена в почве (у) от количества гумуса (х) и уровня рНkc1 (z). Эта связь выражалась следующими уравнениями регрессии:
зависимость от гумуса – у = 8,3863е0,481х у = 2,6866е0,727z от рНKCI – Количество селена в черноземах малогумусных с увеличением содержания гумуса на 1% (с 4,5 до 5,5%) повышалось в среднем на 35, мкг/кг, в среднегумусных (с 6,0-9,0%) на 116,6 мкг/кг почвы. При сдвиге рНкс1 в интервале 4,5-5,5 количество селена в почве возрастало на 75,7 мкг, а в интервале 5,5-6,5 – на 64,2 мкг/кг почвы.
При изменении количества гумуса на 1% в плотном слое почв содержание селена увеличивалось: в черноземе оподзоленном на 39, мкг/кг;
выщелоченном – на 44,6 мкг/кг;
типичном – на 55,6 мкг/кг почвы.
Содержание элемента в растительных объектах определялось в первую очередь аккумуляцией его в почве и доступностью для растений.
В вегетационном опыте c яровой пшеницей, где были смоделированы разные уровни содержания селена в выщелоченном черноземе внесением селената натрия (от 0 до 1,5 мг/кг почвы) и рНкс1 (от 4,85 до 7,25), установлено, что содержание микроэлемента в биомассе на 93,5-94,3% определялось его количеством в почве (рис. 2).
I II I - фаза кущения;
II – фаза колошения Рисунок 2 – Содержание селена в растениях пшеницы сорта Кинельская 59 в зависимости от микроэлемента в почве и уровня рНкс С увеличением содержания селена в почве концентрация его в растениях пшеницы сорта Кинельская 59 повышалась.
Наибольшее количество микроэлемента в надземной массе накапливалось на почве с рН = 6,0, что в среднем превышало содержание его в массе растений, произрастающих на среднекислой почве (рН 4,85) в 2,1 раза, слабокислой (рН 5,50) – в 1,8 и на слабощелочной почве (рН 7,25) – в 1,6 раза.
В вегетационном опыте с козлятником восточным, где содержание селена в почве было смоделировано также внесением селената натрия, отмечено, что повышение в почве количества микроэлемента на 0,25 мг/кг приводило к увеличению его в зеленой массе растений в период стеблевания и ветвления культуры на 14%. При повышении селена в почве на 55,6% количество его в растении возрастало в 9,1 раза, а повышение в почве в 2,1-2,7 раза не сказалось на дальнейшем увеличении элемента в зеленой массе козлятника.
Установлено, что доступность селена для растений на черноземной почве составляет от 16-60,2%, в том числе для пшеницы и ячменя 26-38% от валового содержания.
Выяснено, что сильное влияние на уровень адсорбции селена оказывают видовые и сортовые особенности, фаза роста, физиологическое состояние растения и погодные условия.
На выщелоченных черноземах наибольшее количество селена как в надземной массе, так и в корневой системе накапливали растения семейства бобовых (в среднем 183 и 71 мкг/кг соответственно). Далее в убывающем порядке шли растения семейств: капустных (100 и 32), астровых (86 и 25), гречишных (74 и 24), злаковых (58 и 26).
Максимальное содержание микроэлемента в надземной массе растений всех семейств наблюдалось в первой половине вегетации. С увеличением биологической массы интенсивность его накопления постепенно снижалась. Количество селена в корнях всех семейств было меньшим, чем в листьях и стеблях, и практически не изменялось по фазам развития растений (рис. 3).
Содержание селена, мкг/кг корни стебли листья корни стебли листья соцветие корни стебли листья бобы Фаза стеблевания и Фаза бутонизации и начала цветения Фаза образования бобов ветвления сорт Горноалтайский 87 сорт Гале козлятник лекарственный Рисунок 3 – Содержание селена в растениях козлятника (среднее за 2007-2009 гг.) В зависимости от вида растений количественные характеристики менялись. Так, у представителей семейства бобовых содержание селена убывало в ряду: астрагал нутовый лядвенец рогатый клевер паннонский эспарцет песчаный соя бобы кормовые люпин многолетний люцерна посевная горох полевой;
в растениях семейства капустных уменьшалось в ряду: свербига восточная рапс яровой горчица сарепская;
в растениях семействах злаковых уменьшалось в ряду ежа сборная яровая пшеница кострец береговой ячмень яровой. Концентраторами селена являются астрагал нутовый, клевер панонский, лядвенец рогатый.
Накопление селена при засухе увеличивалось по сравнению с накоплением его при оптимальных условиях выращивания (табл. 1).
Наибольшее количество селена из изученных сортов козлятника накапливал сорт Горноалтайский 87, из сортов яровой пшеницы – сорт Новосибирская 29, из сортов ячменя – сорт Одесский 100.
Таблица 1 – Содержание селена в растениях разных семейств, в зависимости от гидротермического коэффициента (мкг/кг сухого вещества) Семейства Содержание селена в растениях, мкг/кг сухого вещества ГТК=1,25 ГТК=0,89 ГТК=1, корни зеленая корни зеленая корни зеленая масса масса масса Бобовые 52,7 162,0 107,9 201,0 59,5 172, Капустные 26,3 69,5 42,4 107,6 28,2 71, Астровые 20,5 85,6 44,7 111,0 24,6 88, Гречишные 23,2 49,6 43,9 58,2 25,8 50, Злаковые 29,4 58,6 55,3 72,4 32,6 62, НСР, мкг/кг 1,5 2,0 2,0 3,0 1,5 2, Полученный экспериментальный материал свидетельствует о том, что большая часть высших растений не относится к природным селенонакопителям и необходимо обогащение растений этим микроэлементом для последующего введения селена в рацион человека и животных.
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА РАННИХ ЭТАПАХ ОРГАНОГЕНЕЗА 3.1 Влияние концентраций селена на сельскохозяйственные культуры Литературные данные свидетельствуют о неоднозначности влияния селена на растения (Бобко, Шенуренкова, 1945;
Шакури,1976;
Постников, Илларионова, 1991;
Дианова с соавт.,1997;
Дианова, 1999;
Серегина, 2000;
Солдатов с соавт., 2004, 2005). В ранних работах, где использовались высокие дозы микроэлемента для обогащения им кормов, отмечалось, что селен токсичен для растений. В поздних исследованиях было выявлено, что действие низких доз селена зависит от видовых и сортовых особенностей растений (Голубкина, 1999;
Серегина, 2008).
Результаты лабораторных экспериментов позволили установить, что селен, используемый в микроколичествах в виде водных растворов селената натрия, обладает по отношению к растениям козлятника восточного и лекарственного, яровой пшеницы и ячменя на ранних этапах органогенеза выраженной росторегулирующей активностью. Величина и направленность его действия зависели от доз селена, видовых и сортовых особенностей растений.
Использование концентрированных растворов селеновой соли (10–1 и 10–2%) вызвало ингибирование роста и развития корней всех культур, выразившееся в снижении их средней длины и массы у козлятника на 69 и 57% и на 78 и 64% соответственно по сравнению с контрольными показателями (табл. 2). У пшеницы и ячменя резко уменьшались общая и рабочая поверхность корневой системы (в среднем на 10%), длина и масса проростков (на 16%).
Раствор селената натрия 10–1% концентрации полностью ингибировал митоз меристем корней козлятника восточного. В варианте с использованием раствора селеновой соли 10–2% концентрации клеточный митоз происходил, но достаточно сильно угнетался. Величина среднего значения митотического индекса корневой меристемы достигала в этом случае лишь 41% от показателя на контроле. Максимальная митотическая активность зафиксирована при использовании растворов селената натрия 10–4 и 10–5% концентраций (превышение над контролем митотического индекса составляло 48 и 44%).
Выявленная корреляция между показателями митотической активности меристем корней и показателями их роста дает основания полагать, что на ранних этапах органогенеза эффект роста корней и проростков обусловлен способностью микроэлемента стимулировать клеточное деление и влиять на гормональный статус растений посредством воздействия на цитокинины.
Использование раствора селената натрия 10–3% концентрации практически не отразилось на показателях роста корней.
Все другие растворы в интервале концентраций 10–4-10–7% проявили отчетливый ростостимулирующий эффект у козлятника, увеличивая длину корней на 4-9% и их сухую массу на 15-21%.
Ростостимулирующее действие на пшенице и ячмене проявили дозы 10 -10–6% концентраций (табл. 3). Селен увеличивал соотношение массы – корней к надземной массе. Корневой индекс (КИ) у зерновых культур возрос на 17%.
Таблица 2 – Влияние селена на рост и развитие проростков козлятника Концентрация Na2SeO4, % Показатели НСР0,5, ед.
10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10- К козлятник восточный сорта Гале Всхожесть, % 97,0 96,5 97,8 97,0 98,3 97,8 96,8 96,8 1, Длина корня, мм 37,1 11,5 16,0 37,5 40,4 40,1 38,7 36,9 0, Сырая масса 1,55 0,35 0,57 1,49 1,85 1,87 1,81 1,79 0, корней, г Сырая масса 4,94 2,54 3,27 5,37 5,78 5,93 5,61 5,25 0, стеблей, г козлятник восточный сорта Горноалтайский Всхожесть, % 95,8 93,2 25,2 96,3 97,3 97,0 96,9 96,0 1, Длина корня, мм 37,1 10,4 20,1 37,5 40,4 40,1 38,2 37,5 0, Сырая масса 1,55 0,36 0,58 1,59 1,85 1,87 1,70 1,64 0, корней, г Сырая масса 4,94 2,52 3,41 5,37 5,78 5,93 5,52 5,15 0, стеблей, г козлятник лекарственный Всхожесть, % 94,5 92,5 94,8 95,0 96,3 95,8 94,5 94,5 1, Длина корня, мм 35,0 9,5 12,8 35,1 38,6 38,1 37,5 36,2 0, Сырая масса 1,52 0,30 0,48 1,56 1,80 1,71 1,69 1,58 0, корней, г Сырая масса 4,90 1,90 3,20 5,10 5,33 5,21 5,01 4,98 0, стеблей, г Примечание: В данной таблице К – контроль – обработка дистиллированной водой.
Изменение ростовых показателей под действием селена зависело от сортовых особенностей культур. Наибольший прирост корней отмечен у сортов: козлятника – Горноалтайский 87, пшеницы – Тулайковская 10 и Новосибирская 29, ячменя – Одесский 100 при использовании селена в 10-4% концентрации. Дозы селена 10-4 и 10-5 % концентрации увеличивали лабораторную всхожесть семян пшеницы на 29%, ячменя – на 7% к контролю, но не влияли на всхожесть семян козлятника.
Представленный материал позволяет заключить, что селен, применнный в концентрациях 10-1и 10-2% в виде водных растворов селената натрия, токсичен для растений.
Ростостимулирующий эффект вызывает микроэлемент на ранних этапах органогенеза козлятника в концентрациях 10 -4-10-7, пшеницы и ячменя – 10-4-10 -5%.
Таблица 3 – Влияние селената натрия при обработке семян на ростовые процессы ячменя и пшеницы Показатели Концентрация прирост корней, корней, мм2/ проростков, см Масса корней поверхность, поверхность проростков, мм2/100 шт.
Na2SeO Суточный г/100 шт.
г/100 шт.
Рабочая см/сут.
Общая Длина Масса шт.
Ячмень Контроль 0,372 0,467 455,67 239,83 17,357 1, - 10 0,326 0,416 435,92 220,00 14,074 0, 10-3 0,410 0,479 461,25 242,17 17,136 1, 10-4 0,472 0,514 477,08 259,83 19,041 1, 10-5 0,457 0,492 471,50 253,75 18,408 1, 10-6 0,412 0,473 461,42 245,83 17,728 1, Яровая пшеница Контроль 0,930 0,703 763,75 352,83 20,953 1, 10-2 0,641 0,498 683,83 288,92 15,740 0, 10-3 0,921 0,704 812,92 391,75 20,213 1, 10-4 0,996 0,753 1024,75 504,33 22,030 1, 10-5 0,964 0,748 973,50 455,00 21,856 1, 10-6 0,949 0,720 789,92 375,92 20,620 1, Оптимальной дозой селена для обработки следует считать 10-4% концентрации для яровой пшеницы и ячменя и 10 -4-10-5 % – для козлятника восточного и лекарственного.
3.2 Действие селеновых соединений на адаптацию сельскохозяйственных культур к стрессовым условиям В условиях глобальных климатических изменений и усилившегося антропогенного влияния на объекты биосферы представляют интерес исследования по увеличению устойчивости растений к неблагоприятным факторам. В этом аспекте селен является малоизученным микроэлементом.
3.2.1 Влияние селена на стресс-резистентность козлятника восточного В модельных лабораторных экспериментах установлено, что замачивание семян козлятника в растворах селената натрия в большинстве случаев существенно увеличивало адаптивный потенциал проростков в условиях водного дефицита, гипертермии, гипоксии, и избыточного засоления почвы (табл. 4).
Таблица 4 – Влияние обработки семян козлятника восточного селеном на стресс-резистентность проростков Увеличение жизнестойкости проростков относительно контроля, % Стрессовый фактор Концентрация Na2SeО4, % - 10-2 10-3 10-4 10-5 10- Гипертермия -13,0 -6,8 +6,8 +33,0 +33,2 +7, (+38С, 1 час) Дефицит воды:
Росм = 14 атм, +6,4 +16,0 +20,0 +14,2 +14,2 +7, Росм = 18 атм, +14,8 +20,6 +29,9 +22,3 +18,3 +11, Дефицит воды в -130 0,0 +24,7 +43,4 +37,5 +18, воздухе Дефицит кислорода -22,0 -18,0 +14,0 +33,0 +19,0 +14, Засоление среды:
0,5%-ный раствор NaCI, +33,5 +36,6 +53,8 +52,9 +47,0 +32, 1%-ный раствор NaCI +26,0 +48,3 +116,9 +118,9 +91,0 +80, Заглубление семян +46,0 +59,1 +60,8 +60,8 +62,3 +55, в почву* (3 см) * Приведены отличия от контроля по числу проросших семян и нормально развившихся проростков.
** Приведены отличия от контроля по содержанию в корневых чехликах статолитного крахмала.
В диапазоне концентраций 10-3-10-5% селен снижал негативное для растения действие стресса. Защитный эффект микроэлемента проявлялся тем контрастнее, чем более жестким было стрессовое воздействие.
3.2.2 Влияние селена на адаптацию пшеницы к условиям кислой среды Выявлено, что устойчивость сортов пшеницы к действию кислой реакции среды зависит от способностей клеток корня противостоять действию ионов водорода. Кислая среда ингибировала рост корней, ежесуточный прирост их уменьшался у сортов: Кинельская 59 – на 15,8%;
Нива 2 – 22,4%;
Тулайковская 10 – на 30,7%;
Новосибирская 29 – на 40,4%.
Cелен повышал скорость роста корневой системы пшеницы. В условиях кислой реакции среды эффективность селеновых солей была выше, чем в нейтральной среде. Установлены сортовые различия влияния рН и микроэлемента на суточный прирост корневой системы.
Максимальное увеличение прироста отмечалось у сорта Тулайковская 10.
Далее в убывающем порядке шли сорта Новосибирская 29, Нива 2, Кинельская 59.
Селен на всех уровнях рН увеличивал как общую, так и рабочую поверхность корневой системы (рис. 4).
Доля рабочей поверхности в общей площади корней, % вода селенат селенит ДАФС- рН 4,5 рН 6, Уровень рН Рисунок 4 – Соотношение общей и рабочей площади корней Это увеличение составляло при рН 4,5 – в 1,84-2,19 раза, при рН 6,5– в 1,18-1,38 раза соответственно. Под действием солей селена независимо от величины рН происходило увеличение доли рабочей поверхности в общей площади корней. Наибольшие изменения происходили под действием селенита натрия.
Изменение ростовых процессов отмечено и в развивающихся проростках. В условиях кислой среды селенсодержащие соединения увеличивали длину проростков в среднем: селенат натрия – на 13,7%, селенит натрия – 11,4%, ДАФС-25 – 2,0%.
Установлено, что показателем устойчивости пшеничного растения являются не только параметры продукционного процесса, но и индуцированные корнями значения рН питательного раствора, характеризующие их средообразующую деятельность. В кислой среде селеновые соли достоверно повышали рН раствора: селенат натрия – у сортов Кинельская 59 и Нива 2, селенит натрия – у сортов Тулайковская и Новосибирская 29. Под влиянием селена сдвиг рН составил +2,42;
+2,39 и +1,98;
+2,15 ед. соответственно, достигнув уровня кислотности, близкого к нейтральному. Действия ДАФС-25 в кислой среде отмечено не было.
3.2.3 Влияние селена на растения ячменя при обработке семян фунгицидами В краткосрочном опыте установлено, что химическое воздействие на семена ячменя фунгицидами Корриолис и Доспех 3 на начальных этапах органогенеза приводило к снижению темпов роста проростков ячменя.
Селен как при одностороннем использовании, так и совместном с фунгицидами увеличивал длину проростков ячменя на 6,6-9,7% и их массу на 5,2-7,5% к контролю.
Обработка семян ячменя фунгицидами Корриолис и Доспех 3 также приводила к снижению темпов роста корневой системы растений.
Корриолис ингибировал рост корней, и их ежесуточный прирост уменьшился в среднем на 5% по сравнению с контролем, под действием Доспеха 3 – на 23,8%.
Селен повышал скорость формирования корневой системы растения, и действие его определялось сортовыми особенностями ячменя.
Максимальный суточный прирост корней под действием селената натрия отмечался у сорта Одесский 100, меньшим он был у сортов Нутанс 642 и Аннабель.
Совместное использование селена с фунгицидами способствовало снижению химического стресса, и суточный прирост корней увеличивался в среднем на 10,0%.
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА БИОХИМИЧЕСКИЙ СТАТУС РАСТЕНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Рост растений и адаптация их к неблагоприятным условиям среды происходят с образованием активных форм кислорода (АФК). В стрессовых условиях АФК неконтролируемо реагируют с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, изменяя их структуру или даже разрушая их. Система защиты растений состоит из антиоксидантных ферментов и низкомолекулярных антиоксидантных соединений.
Изучено влияние селена на антиоксидантный статус проростков яровой пшеницы, ячменя и козлятника, на активность протеолитических ферментов и выработку защитных веществ в нормальных и стрессовых условиях.
Показано, что в проростках пшеницы активность антиоксидантных ферментов каталазы (КАТ) и пероксидазы (ПР) зависит от реакции среды, в которой выращивалось растение. При увеличении кислотности раствора активность КАТ по сравнению с контролем возрастала у сорта Тулайковская 10 на 54,9%, Кинельская 59 – на 51,1%, Новосибирская 29 – на 59,2% и у сорта Нива 2 – на 34,7%.
Это свидетельствует о том, что реакция среды вызывает неодинаковый окислительный стресс у сортов пшеницы.
Селенат и селенит натрия, используемые для обработки семян в - 10 % концентрации, в условиях повышенной кислотности среды снижали активность КАТ по сравнению с контролем у всех сортов. При оптимальном уровне кислотности (рН 6,5) селен мало влиял на активность фермента.
Близкий эффект селен оказывал и на другой антиоксидантный фермент – пероксидазу, отвечающую за регуляцию концентрации Н2О2 и пероксидов органических соединений. В условиях повышенной кислотности раствора наблюдалось увеличение активности фермента на 29,2% в среднем по сортам. Действие селената и селенита натрия на активность ПР было аналогичным действию их на активность КАТ.
Селенат натрия был более эффективным по сравнению с селенитом натрия.
В опыте с ячменм установлено, что в покоящихся семенах активность КАТ составляла в среднем по сортам 10,5 ммоль разлагаемой перекиси водорода. Через 6 часов набухания семян на контроле активность ее возросла в среднем на 3,5%, в том числе в семенах сорта Аннабель – на 3,5%;
Одесский 100 – на 4,0%;
Нутанс 642 – на 3,0%. К 24 часам набухания активность увеличилась по отношению к 6 часам в среднем в 2,52 раза и достигла к 48 часам максимума (53,1 ммоль), затем начала постепенно снижаться, хотя и оставалась на достаточно высоком уровне (рис. 5).
Контроль Корриолис Активность каталазы, ммоль 60 Доспех Селенат натрия Селенат натрия+Корриолис Н 2О 2* мин /г Селенат натрия+Доспех 6 24 72 120 Время, ч Рисунок 5 – Динамика изменения активности фермента каталазы в прорастающих семенах ярового ячменя сорта Аннабель Обработка семян фунгицидами приводила к усилению активности КАТ на 8,6 – 20,0% к контролю, которая начала проявляться начиная с часов набухания. Максимума (58,6-67,4 ммоль Н2О2) она достигала к часам, как и на контроле. При использовании фунгицида Доспех активность превысила по отношению к 6 часам в 5,3 раза, а к контролю – в 6,4 раза. Наибольшее увеличение активности отмечено у сорта Нутанс – 5,9 раза, далее шли сорта Одесский 100 и Аннабель. Меньшая активность фермента выявлена при использовании фунгицида Корриолис.
Обработка семян селенатом натрия снижала активность КАТ или поддерживала ее на уровне активности фермента в проростках контрольного варианта.
При совместном применении селената натрия с фунгицидами динамика изменений была однотипной с той, что отмечена при действии протравителей, но показатели ее были ниже на 6,9-11,2%, что свидетельствует о роли селена в защите клетки от разрушения АФК.
Выявлена отрицательная корреляционная связь энергии прорастания (у) семян с активностью каталазы (х) на третьи сутки проращивания, которая описывалась следующим уравнением:
для сорта Аннабель: у = 107,86 - 0,4097х, r = -0,469;
для сорта Нутанс 642: у = 126,03 – 0,8309х, r = -0,947;
для сорта Одесский 100: у = 114,29 – 0,5623х, r = -0,579.
В опытах с козлятником установлено, что воздействие на семена селената натрия 10-4-10-5% концентраций снижало в нормальных условиях (t=200С) уровень перекисного окисления липидов биомембран на 30% относительно контроля независимо от концентраций использованных растворов. Стрессирование контрольных растений путем их выдерживания в течение 24 часов при t+20С вызывало увеличение на 27% количества ТБК-реагирующих продуктов (малонового альдегида и др.).
Предварительная обработка семян растворами селената натрия снижала количество продуктов перекисного окисления на 40 - 42 % по сравнению со стрессовым контролем – К3 (табл. 5).
Одной из причин снижения под действием селена уровня процессов перекисного окисления липидов биомембран может быть уменьшение выработки в тканях зачаточных листьев супероксиданиона (О.2), являющегося родоначальником всех АФК (Н2О2, ООН., ОН.). Об уменьшении выработки супероксиданиона свидетельствует то, что обработка семян селенатом натрия снижала в нормальных условиях активность супероксиддисмутазы на 10-14 %, а в условиях гипотермии на 32-35%. Другой причиной снижения под действием селена уровня перекисных окислительных процессов является, очевидно, защитное влияние, которое оказывают селензависимые ферменты (например, глутатионпероксидаза) на полиненасыщенные липиды биомембран. Под действием растворов селената натрия в нормальных условиях глутатионредуктазная активность увеличилась на 22-38%, а в условиях гипотермии – на 48% независимо от концентрации селеновой соли.
Обработка семян селеном в нормальных условиях вызывала незначительное (+6%) увеличение активности аскорбатпероксидазы (Асп), а в условиях холодового стресса повышала активность данного фермента на 26-30% относительно бесстрессового контроля (К1).
Достоверных различий в активности Асп между контрольными (К3) и селенизированными условиях холодового стресса не обнаружено.
Выявлено, что обработка семян селенатом натрия 10-1-10-5% концентраций активизировала деятельность протеиназ.
Через сутки после обработки семян максимальная стимуляция протеолиза проявилась в варианте, где использовался селен в концентрации 10-2 %. Протеиназная активность превосходила контроль на казеине на 73% (при рН 8), на альбумине на 116 % (при рН 6,0), на 401% (при рН 3,0). Учитывая, что гидролиз белков лежит в основе всех ростовых и защитных процессов, стимуляция его селеном позволяет объяснить и ростостимулирующий, и адаптивный эффект селената натрия.
Таблица 5 – Влияние селена на антиоксидантный статус проростков козлятника Показатели ТБК – Вариант реагирующие ГР, АсП СОД, ед.
продукты Мкмоль/г Мкмоль/мин моль/г К1 (темнота, 35719 84050 0,2730,013 2,140, t = 20С) К2 (свет, 36318 107071 0,2890,017 2,700, t = 20С) К3 (темнота, 45322 83449 0,3200,017 2,570, t = +2С) 10-5% Na2SeO4, 25114 72039 0,3780,025 2,270, ( t = 20С, темнота) 10-5% Na2SeO4, 25315 76043 0,3340,021 2,270, ( t = 2С, темнота) 10-4% Na2SeO4, 27414 56835 0,4050,029 2,700, ( t = 20С, темнота) 10-4% Na2SeO4, 26215 54833 0,4060,028 2,780, ( t = 2С, темнота) Обнаружено, что обработка семян козлятника селенатом натрия 10 – 10-5 % концентраций вызывала увеличение накопления в тканях - листьев свободного пролина в условиях теплового и солевого стрессов.
Максимальное накопление его происходило при использовании раствора селената натрия 10-4% концентрации. Содержание пролина превысило контроль в случае солевого стресса на 117 %, гипертермии – 92%.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что селен способен корректировать антиоксидантный потенциал растений в сторону увеличения их стресс-толерантности.
ГЛАВА 5 ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА АГРОЦЕНОЗОВ В ОПТИМАЛЬНЫХ И СТРЕССОВЫХ УСЛОВИЯХ Формирование высокой продуктивности сельскохозяйственных культур обусловлено характером ростовых процессов, интенсивностью работы отдельных органов, в первую очередь листьев, активностью фотосинтеза, обеспеченностью продукционного процесса основными ресурсами – углекислотой, водой, питательными веществами и др.
(Мокроносов с соавт., 2006).
5.1 Влияние селена на ростовые процессы и фотосинтетическую активность козлятника восточного и лекарственного Особенностью влияния селена на рост и развитие растений козлятника, выращенных из обработанных селенатом натрия семян, явилось то, что ингибирующий эффект растворов соли 10-1 и 10-2% концентраций в полевых условиях не проявляется (табл. 6).
Таблица 6 – Влияние селена при обработке семян на развитие корневой системы козлятника в фазу стеблевания-ветвления (полевой опыт) Сырая масса корня, Объем корневой системы, Концентрация см2/растение г/растения Na2SeO 1 2 3 1 2 Контроль 2,96 1,25 1,00 6,13 2,50 2, - 10 3,43 1,30 1,03 7,12 2,60 2, - 10 3,75 1,41 1,28 7,53 2,82 2, - 10 3,79 1,53 1,31 7,78 3,21 2, - 10 4,19 1,76 1,38 8,85 3,21 2, - 10 4,50 1,52 1,33 9,28 3,01 2, - 10 3,19 1,50 1,29 6,35 3,02 2, - 10 2,99 1,28 1,28 6,00 2,52 2, НСР05 0,26 0,03 0,02 0,96 0,23 0, Примечание*: 1 – козлятник восточный сорта Гале, 2 – козлятник восточный сорта Горноалтайский 87, 3 – козлятник лекарственный Все растворы Na2SeO4 в диапазоне концентраций 10-1-10-7% во все основные фазы развития культуры проявляли ростостимулирующий эффект в отношении корневой системы и в несколько меньшей степени – в отношении развития надземной массы.
Наибольшее стимулирующее воздействие на развитие корневой системы козлятника оказывали растворы 10-1-10-5% концентраций, эффект от которых проявлялся в течение как первого, так и второго года жизни культуры. Так, увеличение к контролю в фазу стеблевания-ветвления сухой массы корней составило у козлятника восточного сорта Гале 16 50%, у сорта Горноалтайский 87 – 21-40%, у козлятника лекарственного – 33-38%.
Увеличилось и количество дополнительных корней и корневых отпрысков.
Установленное влияние селена на развитие надземной массы и корневой системы козлятника приводило к интенсификации фотосинтетической деятельности растений в течение вегетационного периода.
Интенсивность фотосинтеза, оказалась сильно зависимымой от способа применения селена, концентраций растворов селеновой соли и от фаз развития культуры.
Обработка семян козлятника растворами селената натрия 10 -1 и 10-2% концентрации вызвала снижение чистой продуктивности фотосинтеза на 6-12% в фазу стеблевания и ветвления (возраст растений 70 дней), а все другие растворы проявили при этом стимулирующее воздействие, увеличив ЧПФ по сравнению с контролем на 11-35%.
Изменение способа воздействия на растения селена (опрыскивание) повлекло за собой резкое изменение показателя интенсивности фотосинтеза. Через месяц после опрыскивания растений растворами 10-1-10-5% концентраций чистая продуктивность селената натрия фотосинтеза снизилась на 51-8% по сравнению с контролем.
На второй год жизни козлятника отмечен эффект позитивного последействия при опрыскивании посева, когда наибольшая интенсивность фотосинтеза проявилась в варианте с использованием концентрации 10-3%.
Оценка закономерности влияния селена на формирование надземной массы козлятника позволила установить, что действие микроэлемента зависело от концентрации раствора и сортовой специфики растений.
Предпосевная обработка семян козлятника растворами Na2SeO4 10-1-10-5% концентраций способствовала увеличению длины стебля, его облиственности и сухой массы.
Наиболее отзывчивым на применение селена оказался сорт козлятника – Гале, где эти показатели возросли в фазу стеблевания ветвления на 11-22%, на 8-35% и на 11-34% соответственно.
У козлятника лекарственного не происходило увеличение длины стебля, но существенно увеличивалась облиственность и их масса на всех стадиях вегетации.
Наиболее эффективным было действие растворов Na2SeO4 на ростовые процессы козлятника сорта Гале 10-2-10-5% концентрации, сорта Горноалтайский 87 – 10-4%, лекарственного – 10-4%.
Действие селена при опрыскивании посева козлятника восточного сорта Гале существенно отличалось от эффективности использования его при обработке семян (табл. 7).
Опрыскивание уже сформировавшихся двухмесячных растений растворами селената натрия 10-1-10-5% концентрации привело к некоторому торможению развития стебля в длину (-4 – -15%), уменьшению его облиственности (-10 – -20%), к снижению накопления сухой массы (-8 – -15%) в фазу стеблевания-ветвления.
Во второй год жизни практически во всех вариантах было зарегистрировано более интенсивное по сравнению с контролем развитие стеблей растений. Наиболее контрастные отличия проявились в варианте, где для обработки растений использовался раствор селената натрия 10 -3% концентрации.
Таблица 7 – Влияние селена при опрыскивании посева на развитие надземной массы козлятника сорта Гале (полевой опыт) Сухая масса одного Число листьев на Длина, см стебля и листьев, г одном стебле, шт.
Концентрация Na2SeO4,% Фаза образования бобов образования бобов образования бобов стеблевания и стеблевания и стеблевания и бутонизации бутонизации бутонизации ветвления ветвления ветвления К 21,75 60,13 84,13 32,20 7,13 18,40 1,19 1,41 2, 10-1 18,50 69,63 97,63 25,90 8,13 21,40 0,99 1,62 2, 10-2 19,00 74,62 104,3 26,20 8,63 22,70 1,00 1,77 2, 10-3 19,63 76,75 107,6 27,30 9,25 23,90 1,04 1,87 2, 10-4 19,75 73,40 102,8 27,60 8,50 22,50 1,06 1,76 2, 10-5 20,13 70,25 98,50 28,80 8,25 21,40 1,09 1,65 2, 10-6 20,40 63,75 89,14 29,00 7,88 19,80 1,106 1,53 2, 10-7 20,50 61,25 85,62 29,20 7,25 19,00 1,11 1,44 2, НСР 1,04 1,23 1,55 1,18 0,64 1,19 0,06 0,09 0, Примечание: в этой таблице и других К – контроль – обработка водой.
Как и при обработке селеном семян козлятника, опрыскивание растений растворами селеновой соли привело к увеличению на 8-19% числа корневых отпрысков и их длины на 7-85% по сравнению с контролем. Следует отметить, что именно увеличение под воздействием селена численности и длины корневых отпрысков козлятника обеспечивало основной прирост массы и объема его корневой системы.
5.1.1 Влияние предпосевной обработки семян и внесения селената натрия в почву на рост козлятника восточного сорта Гале в условиях длительной гипотермии В вегетационных опытах, где после посева козлятника поддерживали температуру в течение 90 дней на уровне 6-12С, установлено, что обработка семян растворами Na2SeO4 в концентрации 10-1 и 10-2% усугубляла отрицательное действие длительной гипотермии.
Выявлены: задержка развития корневой системы на всем протяжении вегетации;
уменьшение объема корней на 59-60% и на 28 36%;
снижение их сухой массы на 58-62 и 34-36% соответственно.
Аналогичное воздействие оказывалось и на развитие надземной массы. Снижалась длина стебля на 55-58%, облиственность его – на 53 59%, сухая масса – на 52-59% по сравнению с контролем.
Растворы 10-3-105% концентраций оказывали отчетливо выраженное стимулирующее влияние на указанные выше показатели. Наибольший эффект оказывал раствор 10-5% концентрации как на рост надземной массы, так и корней.
Селен в этих дозах инициировал увеличение числа корневых отпрысков, облиственности стебля и его сухой массы.
При внесении селената натрия в дозах 0,25 мг;
0,50 мг;
1,00 мг;
2, мг;
3,00 мг;
4,00 мг и 5,00 мг/кг почвы установлено замедленное развитие растений, по сравнению с обработкой семян (табл. 8).
Таблица 8 – Влияние внесения селената натрия в почву на развитие растений козлятника восточного в условиях длительной гипотермии №№ Показатели Доза мг Se/кг почвы п/п системы растения, Число листьев на Масса, г Длина стебля, см Объем корневой Длина корня, см растении, шт.
Сырая Сухая см Стебель Стебель Корень Корень 1(К) 0 4,00 13,75 16,98 0,66 0,73 0,72 0,22 0, 2 0,25 5,75 25,63 22,92 1,32 2,20 1,46 0,44 0, 3 0,5 6,69 23,50 24,27 2,11 4,22 2,16 0,84 0, 4 1 6,21 18,00 17,75 1,33 3,09 1,41 0,62 0, 5 2 6,00 13,75 14,43 0,99 1,80 1,04 0,35 0, 6 3 5,75 10,75 13,75 0,95 0,78 1,10 0,24 0, 7 4 4,75 10,50 13,58 0,88 0,70 0,86 0,21 0, НСР 0,5, ед. 0,71 0,88 1,06 0,14 0,12 0,07 0,02 0, Обогащение селеном почвы в первую очередь сказалось на всхожести семян. Низкая температура воздуха и почвы вызвала позднее и сильно растянутое во времени появление всходов, а также их высокую изреженность. На 24-е сутки эксперимента всхожесть семян в контроле достигла лишь 38% и далее не изменялась.
При внесении селена в почву всхожесть семян повышалась до 49 68% и далее не возрастала. Максимальный эффект стимуляции всхожести проявился при внесении селена в дозе 0,5 мг/кг почвы. Растения этого варианта превзошли контроль через 5 месяцев вегетации по длине стеблей на 67%, по их облиственности на 71%, а по длине корней на 43%.
При внесении селена в почву в дозах 1,0-3,0 мг/кг происходило преимущественное развитие стебля, а не корневой системы. Некоторый ингибирующий эффект высоких доз селена (4,0-5,0мг/кг) проявился в уменьшении на 22-24% облиственности стеблей и длины корневой системы на 15-20% соответственно.
Полученные в ходе данного эксперимента результаты однозначно свидетельствуют о том, что внесение селена в почву в дозах 0,25-3,0 мг/кг способствует повышению жизнеспособности растений козлятника в стрессовой ситуации и позволяет снижать уровень ее негативных последствий.
5.2 Влияние селена на продукционный процесс агроценоза яровой пшеницы при разных уровнях рН и удобренности посева Анализ формирования продукционного процесса пшеницы разных сортов выявил, что действие селена в значительной степени зависело от реакции среды, уровня удобренности почвы, формы селенового соединения и сортовой специфики растений.
Реакция почвенной среды оказывала существенное влияние на формирование фотосинтетического аппарата растений (табл. 9).
Таблица 9 – Площадь листьев, см2/растение (фаза колошения) Обработка Уровень Тулайков- Кинельская Новосибир- Нива ская 10 ская семян рН 4,5 82,6 95,6 86,2 83, Вода 5,5 92,8 102,2 95,3 91, (контроль) 6,5 119,7 118,6 117,6 110, 7,5 111,3 112,4 122,1 106, 4,5 109,9 109,9 108,6 99, Селенат 5,5 110,9 112,4 110,6 101, натрия 6,5 131,0 124,7 127,3 118, 7,5 116,7 116,2 128,6 11, 4,5 87,4 97,5 89,9 85, ДАФС-25 5,5 99,1 105,2 100,3 95, 6,5 129,9 122,8 124,9 116, 7,5 122,4 119,5 133,0 114, НСР05 :
для сортов 1,21;
для уровней рН 3,16;
для соединений Sе 2,75;
для частных средних 1, При увеличении кислотности происходило уменьшение площади листьев. Особенно значимым оно было при переходе рН с 6,5 до 5,5 (-21, см2/растение), менее существенным – при изменении рН с 7,5 до 6, (-3,5см2).
Обработка семян яровой пшеницы селеновыми солями увеличивала ассимиляционную поверхность растений. Селенат натрия достоверно повышал площадь листьев при всех уровнях рН чернозема. Эффективность же его действия снижалась с уменьшением кислотности. Влияние ДАФС-25 начиналось только при рН 5,5 и выше.
Наиболее чувствительными к повышенной кислотности почвы оказались сорта яровой пшеницы Тулайковская 10 и Новосибирская 29.
Они же отзывались максимальным увеличением всех показателей фотосинтетической деятельности под влиянием селена. Селенат натрия независимо от уровня рН оказывал существенное воздействие на формирование листовой поверхности (увеличение к контролю составило 15,3-12,8% соответственно) и фотосинтетический потенциал (+9,8-8,3%) этих сортов. Наибольшее влияние селена на растения было в интервале рН 4,5 и 5,5. Прирост листовой поверхности составил 33,0-19,5% и 26,9-16,1% соответственно. ДАФС-25 оказывал наибольшее действие на фотосинтетическую деятельность сорта Нива 2, особенно при слабощелочной реакции среды.
Оценивая влияние предпосевной обработки семян яровой пшеницы селенатом натрия в 10-4% концентрации, можно отметить повышение ее действия в условиях высокой обеспеченности чернозема элементами минерального питания. В полевых условиях на фоне полного минерального удобрения (N86Р68К32) фотосинтетическая активность растений под действием селена возрастала (рис. 6).
Увеличивалась облиственность, площадь ассимилирующей поверхности, продолжительность работы листьев.
Установлена зависимость между ЧПФ (у) и числом и площадью листьев (х), которая выражалась полиномом третьей степени:
для сорта Тулайковская 10: у = -457,56+328,69х-71,03х2+3,93х3 (r = 0,622);
для сорта Новосибирская 29: у = 8682,41-4568х+810,40х2-46,74х3(r = 0,649).
Селенат натрия увеличивал ЧПФ на 6,7% по сравнению с неудобренным фоном в среденм по сортам. Наибольшее его влияние проявилось на сорте яровой пшеницы Новосибирская 29 – увеличение составило на неудобренном фоне 10,2%, на удобренном – 12,0%.
фон фон без удобрений NPK Площадь листьев, см2/растение Вода Селенат 1 2 3 4 1 2 3 Сорта Сорта: 1 – Тулайковская 10;
2 – Кинельская 59;
3 – Новосибирская 29;
4 – Нива Рисунок 6 – Площадь листьев растений яровой пшеницы за 2005–2007 гг., полевой опыт 5.3 Фотосинтетическая деятельность посевов ячменя в зависимости от применения гербицидов и антистрессовых препаратов Изучение влияния гербицидной обработки посева ярового ячменя, а также обработки селенатом натрия и природным препаратом Гуми-90, проведенное в условиях полевого и вегетационного опытов, показало, что химическое воздействие вызывает стресс у растений.
Установлено снижение хлорофиллов в листьях ярового ячменя сразу после обработки растений гербицидами. Наибольшее уменьшение их количества происходило в первые сутки после обработки растений:
хлорофилла а – на 36,4%, б – на 17,2% по сравнению с контролем. Далее количество их несколько возрастало по сравнению с первыми сутками, но в течение пяти дней было в среднем ниже, чем в растениях контрольного варианта. На десятые сутки после обработки посева количество хлорофилла в обработанных и необработанных растениях выравнивалось.
Селен повышал содержание хлорофилла а на 4,2%, хлорофилла б – на 7,1% в среднем за десять суток наблюдений. Введение микроэлемента в баковую смесь с гербицидами увеличивало их количество на 25,0% и 6,3% соответственно. При использовании гербицидов ухудшалась структура хлорофильного комплекса. В течение семи суток отношение хлорофилла а к содержанию хлорофилла б на вариантах с гербицидами было ниже, чем в листьях растений ячменя при оптимальных условиях.
Селенат натрия при одностороннем внесении не влиял на структуру комплекса, но введение его в баковую смесь с гербицидами существенно улучшало ее, увеличивая отношение хлорофилла а к хлорофиллу б до 1, (против 1,23 без селена).
Полученные нами данные косвенно подтверждают роль селена как антистрессового микроэлемента. Наряду с этим можно предположить, что он участвует в реакциях образования хлорофилла за счет воздействия на сульфогидрильные группы ферментов, которые регулируют этот процесс.
В литературе также встречаются подобные предположения (Ермаков, Ковальский, 1974;
Торшин с соавт., 1996;
Кузнецов, 2004;
Пузина с соавт., 2005;
Скрыпник, 2007;
Bollard,1983;
Maslowska et. al., 1991).
Возможно, что активизация селеном реакций синтеза хлорофилла обусловлена не прямым воздействием селена на тиолсодержащие ферменты, а опосредованно, через симбиотические отношения данного микроэлемента с витамином Е. Селен, как известно, предохраняет витамин Е от окислительной деструкции, а последний влияет на уровне транскрипции на синтез ряда белков, в частности, на синтез ключевых ферментов биосинтеза порфиринового цикла – аминолевулинатсинтетазу и аминолевулинатдегидразу (Дюкарев с соавт., 1985).
При гербицидной обработке растения ячменя вступали в фазу выхода в трубку на 2-3 дня позже, чем обработанные водой. В эту фазу отмечалось достоверное уменьшение ассимиляционной поверхности листьев на – 7,5% по сравнению с контрольными растениями (табл. 10).
Таблица 10 – Изменение показателей ростовых процессов в зависимости от обработки посева ячменя селенатом натрия и гербицидами (вегетационный опыт) Обработка растений ячменя Фаза роста и НСР0,5, Контроль- Na2SeO4 + развития ячменя ед.
БСГ Na2SeO вода БСГ Площадь листьев, см2/растение Выход в трубку 10,6 12,3 9,8 12,0 0, Колошение 38,1 40,0 40,4 41,8 1, Молочная спелость 26,1 27,2 27,6 27,9 1, Надземная масса, г/растение Выход в трубку 1,25 1,18 1,22 1,25 0, Колошение 2,99 3,12 3,17 3,23 0, Молочная спелость:
Общая масса в т.ч. листья 3,96 4,00 4,03 4,03 0, колос 1,00 1,31 1,19 1,36 0, стебель 2,00 1,96 1,88 1,83 0, Полная спелость: 0,96 0,73 0,96 0,84 0, Общая масса в т.ч. зерно 2,25 2,56 2,78 2,60 0, полова 1,00 1,07 1,45 1,07 0, солома 0,29 0,20 0,28 0,20 0, 0,96 1,20 1,08 1,29 0, Селенат натрия, введенный в баковую смесь с гербицидами, снимая стресс у растений ячменя, увеличивал площадь листьев на 9,8% по сравнению с гербицидной обработкой. Гуми-90 несколько уступал по действию селену.
В полевом опыте установлено увеличение надземной массы растений ячменя под действием селена и Гуми-90.
Обработка посева ячменя в начале кущения селенатом натрия увеличивала площадь листьев в среднем по сортам за три года исследований на 6,0%, препаратом Гуми-90 – на 2,4% по сравнению с контролем (табл. 11).
В среднем по сортам фотосинтетический потенциал под воздействием селената натрия возрастал на 8,4%. Наибольшее влияние микроэлемента проявилось на сорте Нутанс 642 (повышение ФП составило 9,6%).
Селенат натрия и Гуми-90, использованные совместно с БСГ, действовали на фотосинтетический потенциал более эффективно, чем при одностороннем их применении. По сортам ячменя в среднем за годы исследования ФП возрос на 9,9% по сравнению с гербицидной обработкой.
Таблица 11 – Площадь листьев и фотосинтезирующая деятельность агроценоза ячменя в фазу колошения, среднее за 2007- 2009 гг.
(полевой опыт) Площадь ЧПФ, листьев, ФП, тыс.м2/га/сутки тыс.м /га гм2/сутки Варианты 1 2 3 1 2 3 1 2 Вода 29,2 25,4 25,4 1106,2 935,3 1009,2 3,2 2,9 2, БСГ 30,5 27,1 27,1 1252,3 1064,0 984,1 3,5 3,4 3, Гуми-90 30,0 25,8 25,8 1187,6 1216,5 1002,3 3,6 2,9 3, Na2SeO4 30,5 26,7 26,7 1149,8 1024,8 1085,6 3,6 3,0 3, БСГ+Na2SeO4 33,1 29,3 29,3 1392,0 1196,4 1260,8 3,8 3,4 3, БСГ+Гуми-90 31,1 27,6 27,6 1271,3 1129,1 1152,6 3,6 3,3 3, НСР0,5 0,11 0,16 0,17 40,1 120,9 19,0 0,3 0,4 0, Примечание: сорта: 1 – Аннабель, 2 – Нутанс 642, 3 – Одесский – 100.
ГЛАВА 6 ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ КОЗЛЯТНИКА И ЯРОВЫХ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ О действии селена на продуктивность растений у исследователей нет единого мнения. Многие авторы считают, что этот микроэлемент не оказывает влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур (Дудецкий, 1998;
Машкова, 1998;
Торшин, 1998;
Ylaranta, 1986). По мнению же других исследователей, селен в малых дозах стимулирует рост урожайности (Perkins et. al., 1938;
Бобко с соавт., 1945;
Дианова, 1999;
Серегина, 2000;
Прудников, 2007).
Несогласованность результатов, полученных в экспериментах, по видимому, можно объяснить наличием видовых различий растений, применением разных солей селена, способами их использования, условиями проведения опытов.
6.1 Роль селена в формировании продуктивности козлятника Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что воздействие селена на семена и уже сформировавшиеся растения козлятника восточного и лекарственного в полевых условиях вызывает устойчивый ростостимулирующий эффект, особенно сильно проявляющийся во второй сезон вегетации культуры (рис. 7).
И обработка семян растворами селената натрия, и опрыскивание ими уже сформировавшихся растений козлятника восточного сорта Гале приводили к увеличению урожайности зеленой массы.
Рисунок 7 – Влияние разных способов использования селената натрия на урожай зеленой массы козлятника восточного сорта Гале Достоверная прибавка урожая массы (35-51% cоответственно) в фазу бутонизации зарегистрирована при обработке семян селеном, там где использовались растворы селената натрия 10-2-10-5% концентрации.
Предпосевная обработка семян козлятника восточного сорта Горноалтайский 87 и лекарственного повышала урожайность зеленой массы обоих видов в вариантах 10-2 и 10-5 % концентрации. Максимальная прибавка надземной массы (38-32%) наблюдалась в варианте 10-4% концентрации. Использование концентраций 10-1, 10-6 и 10-7% не оказало влияния на урожай зеленой массы.
Обработка семян селеновыми растворами проявлялась на второй год жизни культуры и сказалась на увеличении численности кистей на одном побеге у обоих сортов козлятника восточного и в меньшей степени у козлятника лекарственного.
Для сорта Гале наибольшая разница с контролем (+14-+37%) отмечена там, где были использованы растворы 10-2-10-5% концентраций (табл. 12).
Однако сильное увеличение количества кистей не сопровождалось адекватным повышением числа бобов на одном стебле (10-20%).
Таблица – 12 Влияние различных способов использования селена на показатели семенной продукции козлятника восточного и лекарственного Количество, шт. Масса, г Концентра Вариант ция Кистей Бобов на Семян в Семян Na2SeO4, % на побеге побеге бобе 1 побега семян Козлятник восточный сорта Гале Контроль 3,5 54,3 4,8 1,57 6, - 10 3,8 56,3 5,0 1,70 6, - 10 4,0 59,8 5,0 1,80 6, Обработка - 10 4,3 62,3 5,0 1,85 6, семян - 10 4,8 65,2 4,8 1,83 6, - 10 4,3 63,8 5,0 1,92 6, - 10 3,8 58,5 4,8 1,62 6, - 10 3,5 55,3 4,8 1,70 6, НСР0,05, ед. 0,8 2,7 1,0 0,16 0, Контроль 3,5 54,4 4,8 1,60 6, - 10 4,0 64,5 5,0 1,94 6, - 10 4,8 65,8 5,0 2,01 6, Опрыски- - 10 5,0 66,8 5,3 2,05 6, вание - 10 4,8 64,5 4,8 1,85 6, растений - 10 3,8 63,0 4,9 1,90 6, - 10 3,8 58,4 4,8 1,74 6, - 10 3,6 55,0 4,8 1,64 6, НСР0,05, ед. 1,0 4,1 1,2 0,09 0, Козлятник восточный сорта Горноалтайский Контроль 2,5 48,4 4,2 1,48 5, - Обработка 10 2,7 52,2 4,6 1,68 6, семян - 10 2,9 57,3 4,8 1,74 6, - 10 2,9 54,1 4,7 1,72 6, НСР0,5, ед. 0,3 5,2 0,9 0,18 0, Козлятник лекарственный Контроль 1,7 20,5 3,1 1,23 5, - Обработка 10 1,8 23,2 3,1 1,24 5, семян - 10 1,9 27,4 3,2 1,42 5, - 10 1,7 25,2 3,1 1,38 5, НСР0,5, ед. 0,2 2,5 1,0 0,16 0, У сорта Горноалтайский 87 применение растворов 10 -3-10-5% концентраций увеличивало количество кистей и бобов на побеге в среднем на 16-18% соответственно.
У козлятника лекарственного достоверного увеличения числа кистей не наблюдалось, но повысилось на 18,4% число бобов на побеге в варианте с концентрацией 10-4%.
Количество семян, приходящихся на один побег, где использовались растворы селеновой соли 10-2-10-5% концентрации, превосходило контроль у козлятника сорта Гале на 15-23%, у сорта Горноалтайский 87 – на 16 18%, у козлятника лекарственного – на 12-15%. Опрыскивание растворами селеновой соли растений козлятника восточного сорта Гале во второй год вегетации вызвало несколько большую прибавку в урожае зеленой массы, чем при обработке селеном семян.
Стимулирующее воздействие оказали растворы селената натрия 10 -10-5% концентраций, способствовавшие увеличению урожайности - на 11-63% по сравнению с контролем. Максимальная прибавка урожая зарегистрирована в варианте, где растения опрыскивались раствором селената натрия 10-3% концентрации.
Повышение урожайности происходило за счет увеличения количества кистей и бобов на одном побеге на 14-43% и общего числа семян на 20 28%.
6.2 Формирование урожайности и качества зерна яровой пшеницы в зависимости от использования селена и условий выращивания Установлено, что урожайность яровой пшеницы является комплексной величиной, образованной взаимодействием основных элементов продуктивности – числа колосьев на единице площади, числа зерен в колосе и массы зерновки, и зависит от абиотических и эдафических факторов.
6.2.1 Влияние селенсодержащих солей на адаптацию пшеницы к реакции почвенной среды В результате эксперимента, проведенного в микрополевом опыте, установлено, что урожайность яровой мягкой пшеницы зависела от уровня рН чернозема и описывалась уравнениями полинома третьей степени.
Наибольший стресс в условиях повышенной кислотности испытывал сорт Новосибирская 29. Cнижение его урожайности от оптимума составило 39,2% (табл. 13), далее в убывающем порядке шли сорта Тулайковская 10, Нива 2 и Кинельская 59 – 9,8%.
При повышении уровня рН на одну единицу наибольший прирост зерна наблюдался в интервале 5,5-6,5 (5,7 г/сосуд). Максимальный урожай зерна в среднем по сортам формировался при рН 6,5 (29,6 г/сосуд).
Соединения селена по-разному действовали на урожайность пшеницы в зависимости и от их химической природы, а также от особенностей сорта.
Достоверное увеличение урожайности от селената натрия у всех сортов происходило при рН 4,5-5,5, при рН 6,5 – только у сортов Тулайковская 10, Кинельская 59 и Новосибирская 29, при рН 7,5 – только у сорта Новосибирская 29. С увеличением показателя рН эффективность селената натрия снижалась.
Таблица 13 – Урожайность зерна сортов пшеницы за 2005-2007 гг.
в зависимости от уровня рН и обработки семян селеном, г/сосуд (микрополевой опыт) Обработка Уровень Тулайков- Кинельская Новосибир- Нива ская 10 ская семян рН 4,5 23,0 22,7 18,0 17, Вода 5,5 26,9 26,6 22,3 19, (контроль) 6,5 33,6 31,5 28,3 24, 7,5 30,5 28,7 29,6 24, 4,5 28,3 26,2 22,8 20, Селенат 5,5 30,8 28,9 25,5 21, натрия 6,5 34,9 32,5 29,5 25, 7,5 31,5 29,2 30,3 24, 4,5 23,5 22,8 18,4 17, ДАФС-25 5,5 27,6 27,0 22,9 20, 6,5 34,7 32,2 29,2 25, 7,5 31,7 29,6 30,7 25, НСР05 :
для сортов 1,56;
для уровней рН 1,87;
для обработки семян 0,91;
для частных средних 1, ДАФС-25 повышал урожайность сортов Тулайковская 10 и Новосибирская 29 только при нейтральной и слабощелочной реакции почвы. Прибавки от его применения составили 1,1-1,2 и 0,9-1,1 г/сосуд соответственно.
Наиболее отзывчивыми на обработку семян селеном оказались сорта Тулайковская 10 и Новосибирская 29.
Метеорологические условия, складывающиеся в течение вегетации, оказывали влияние не только на формирование величины и качество урожая, но и на эффективность действия селена.
Низкая влагообеспеченность в 2007 году в период всходы колошение (ГТК = 0,07) усиливала негативное влияние кислотности на продукционный процесс. В этих условиях в большей степени проявилось протекторное действие селена. Урожайность зерна на почве с рН 4,5 при использовании селена увеличилась у сорта Тулайковская 10 на 9,7%, Новосибирская 29 на 10,3%, Кинельская 59 на 5,2% и Нива 2 на 5,4%.
Полученные нами данные о положительном действии селена в засушливых условиях согласуются с результатами исследований других авторов (Осипова, 2002;
Кузнецов, 2006;
Серегина, 2008), которые наблюдали резкое увеличение количества зерен в колосе, массы зерен, в целом продуктивности пшеницы в условиях засухи. Эффект селена в период засух, по-видимому, можно объяснить тем, что этот микроэлемент снижал интенсивность перекисного окисления, активность супероксидисмутазы, которая способствует образованию активных форм кислорода. Кроме того, селен, изменяя содержание пролина в листьях пшеницы, связан с обменом углеводов, что может вызвать уменьшение водного потенциала листьев и лучшее поступление воды из почвы (Пузина с соавт., 2003 (б);
Кузнецов, 2004;
Прудников, 2007).
Увеличение урожайности пшеницы связано с тем, что обработка семян селеном приводила повышению их всхожести и тем самым к увеличению количества растений к уборке урожая. Действие препаратов при изменении реакции среды было различным: полевая всхожесть наиболее значительно возрастала от селената натрия при повышенной кислотности почвы (на 9,7% в среднем по сортам). При снижении кислотности влияние препарата ослабевало (рис. 8).
Влияние препарата ДАФС-25 было противоположным: в кислой среде он увеличивал всхожесть семян только на 2,7%, в слабощелочной – на 8,9% по сравнению с контролем.
Вода Всхожесть, % Селенат натрия ДАФС- 4,5 5,5 6,5 7, Уровень рН Рисунок 8 – Влияние селена на полевую всхожесть семян пшеницы (в среднем по сортам) Действие селена в условиях разной реакции почвенной среды объясняется сортовой спецификой. Наибольшее его влияние проявилось на сорте Тулайковская 10 при рН 4,5 и составило в среднем 14,6% к контролю. Далее в порядке уменьшения шли сорта Новосибирская 29, Кинельская 59 и Нива 2 (7,0%).
Обработка семян селеном практически не сказалась на сохранности растений в период вегетации и на продуктивной кустистости. Разное количество растений к уборке урожая зависело от количества взошедших семян.
В условиях кислой среды (рН 4,5-5,5) селен увеличивал число зерен в колосе. Отмечено повышение массы 1000 зерен сорта Тулайковская 10 на 16,4% при рН 4,5 и на 9,6% при рН 5,5. У остальных сортов увеличение было менее существенным. ДАФС-25 увеличивал массу 1000 зерен только при рН = 7,5.
Установлено, что количество сырого белка в зерне пшеницы в первую очередь определяется геномом сорта. Наибольшим содержанием сырого белка в зерне 13,3-13,6% (в среднем по уровням рН) характеризовались сорта Кинельская 59 и Новосибирская 29. Сорта Тулайковская 10 и Нива 2 имели одинаковое его количество – 12,1%.
Зависимость между содержанием белка и величиной рН носила криволинейный характер. При сдвиге рН на 1 ед. количество белка возрастало до определенного уровня, а затем снижалось. Так, при изменении рН от 4,5 до 5,5 происходило увеличение его содержания в среднем по сортам на 0,85%, от 5,5 до 6,5 – на 1,45%, а при росте с 6,5 до 7,5 – снижение на 0,15 абсолютных процентов.
Обработка семян селенатом натрия оказала достоверное влияние на увеличение количества сырого белка в зерне пшеницы только на почве с рН 4,5, ДАФС-25 – при рН 7,5.