Агрохимия, 2022, № 8, стр. 22-27

ВВЕДЕНИЕ

За последнее десятилетие значительно возросло использование различных видов биостимуляторов роста растений [1]. К данной группе относятся вещества, которые способны улучшать рост и продуктивность растений, качество урожая, устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам [2]. В отличие от гормонов и биорегуляторов, биостимуляторы влияют на скорость процессов метаболизма растений, не изменяя при этом конечные продукты биохимических реакций [1]. Важно, что эффективность биостимуляторов проявляется при малых дозах. Дозы биостимуляторов в среднем составляют от нескольких сотен граммов на гектар и не превышают нескольких килограммов на гектар [2].

Для эффективного использования биостимуляторов необходимо понимание механизмов, лежащих в основе их действия на развитие и жизнеспособность растений. В условиях стрессов различной природы происходит усиление синтеза активных форм кислорода (АФК), что является неспецифической реакцией растения на действие любого стресс-фактора [3]. В результате нарушается баланс между активностью антиоксидантной системы растений и интенсивностью процессов окислительной деструкции, что приводит к повреждению метаболически важных соединений и органелл. Антиоксидантная система растений включает комплекс ферментов и низкомолекулярных соединений, таких как аскорбиновая кислота, глутатион, токоферолы и другие, которые являются восстановителями и могут снижать содержание АФК [1, 3]. Поддержание баланса между окислительными и восстановительными процессами является ключевым для защиты растений в условиях стресса. В ряде работ было показано, что биостимуляторы непосредственно участвуют в регулировании окислительно-восстановительного баланса растений [1].

Хотя кремний не относят к необходимым элементам питания растений, многие сельскохозяйственные растения поглощают его в бóльших количествах, чем азот, фосфор или калий [4]. Начало изучения кремниевых удобрений относится к работам Ю. Либиха 1840 г. До начала XX века кремниевые удобрения исследовали совместно с азотными, фосфорными и калийными препаратами. Однако количество работ, посвященных изучению кремния в сельском хозяйстве, заметно сократилось после появления пестицидов [5].

Многочисленные современные исследования свидетельствуют, что активные формы кремния положительно влияют на рост растений и устойчивость к стрессам различной природы [6, 7]. Известно несколько кремний-опосредованных механизмов, обеспечивающих защиту растений в условиях стресса: 1 – механическая защита благодаря аккумуляции Si в эпидермальных тканях и образованию двойного кремний–эпидермального слоя, препятствующего атакам насекомых-вредителей и развитию грибковых заболеваний [8]; 2 – физиологическая защита за счет улучшения развития корневой системы и усиления фотосинтеза [9]; 3 – химическая защита посредством химического взаимодействия между монокремниевой кислотой и токсичными соединениями в тканях растений [10]; 4 – оптимизация транспорта микро- и макроэлементов [11]. Возможность действия ряда механизмов косвенно подтверждают высокие концентрации мономеров и полимеров кремниевой кислоты, обнаруженные в клеточном соке растений [12].

В настоящее время можно выделить 3 группы кремниевых препаратов, используемых в сельском хозяйстве: 1 – кремниевые почвенные мелиоранты в основном воздействуют на свойства почвы, такие как адсорбционная способность, структура, pH и другие, их обычно вносят в дозах >500 кг/га. К ним относятся силикат кальция, цеолит, диатомит и другие [13]; 2 – кремниевые удобрения применяют для обеспечения питания растений кремнием. Их вносят в дозах от 50 до 500 кг/га. К данной группе можно отнести аморфный диоксид кремния (микросилика, пирогенная двуокись кремния), кремниевый гель, силикаты натрия и калия [5]; 3 – кремниевые биостимуляторы – новый класс кремниевых агрохимикатов. Их применяют для опрыскивания растений в дозах <10 кг/га [14].

Цель работы – изучение влияния 2-х типов кремниевых биостимуляторов на физиологическое состояние растений пшеницы и сахарной свеклы в условиях кратковременного низкотемпературного стресса.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения тепличного эксперимента были взяты пшеница (Triticum aestivum L., сорт Новосибирская 41 как представитель однодольных растений) и сахaрная свекла (Beta vulgaris L., сорт Богема как представитель двудольных растений). Перед посадкой семена были обработаны раствором 3%-ного H₂O₂ и промыты в дистиллированной воде. Растения выращивали в пластиковых сосудах объемом 1 л, наполненных смесью, содержащей торф верховой (60%), песок (30%) и известь (10%). Величина pH_Н2О смеси составила 6.0. В каждый сосуд высевали по 10 семян пшеницы или по 5 семян сахарной свеклы. Растения выращивали в течение 25 сут при следующих условиях: температура воздуха 26 ± 4°C днем и 22 ± 2°C – ночью, световой период 12 ч, относительная влажность воздуха 85 ± 5% днем и 78 ± 5% – ночью. Влажность грунта поддерживали в интервале 20–40% ПВ путем полива дистиллированной водой. Затем часть горшков была помещена на 12 ч в холодную комнату с температурой 6ºC для симуляции кратковременного холодового стресса, после чего растения выращивали в прежних условиях в течение еще 1 нед.

Были использованы Si-биостимуляторы 2-х типов: 1 – твердый Si-биостимулятор (АпаСил) с содержанием Si 47% (АO “Апатит”, Россия) и 2 – жидкий Si-биостимулятор Ecosil, представляющий собой стабилизированную монокремниевую кислоту с содержанием Si 15% и содержанием Na 15% (Beijing Plum Agrochemical Trading Co., Ltd., Китай). Биостимуляторы разбавляли дистиллированной водой в пропорции 1 : 500 и опрыскивали растения в дозах 0.1 и 0.25 мг/сосуд, что соответствовало дозам 1.0 и 2.5 кг/га, дважды – за 3-е сут до и через 1 ч после действия холодового стресса. Суммарные дозы каждого биостимулятора составили 0.2 и 0.5 мг/сосуд, что соответствовало дозам внесения 2.0 и 5.0 кг/га. Параллельно биостимуляторами обрабатывали не подвергавшиеся охлаждению контрольные растения.

Через 24 ч после охлаждения были взяты образцы листьев пшеницы и сахарной свеклы, из которых сразу был приготовлен грубый гомогенат для анализа активности антиоксидантов. Развитие стресс-реализующих реакций в подверженных холодовому стрессу листьях было оценено по концентрации веществ, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (ТБК), как индикатора интенсивности перекисного окисления липидов и по активности ферментативных антиоксидантов: аскорбатпероксидазы (AсП), глутатионредуктазы (ГР) и гваякол-пероксидазы (ГПX) [15].

В конце эксперимента измеряли массу растений пшеницы и сахарной свеклы, а также отбирали образцы почв и растений. В почве определяли содержание водорастворимых и кислоторастворимых форм кремния с использованием описанных ранее методик [16].

Для определения содержания общего кремния в тканях растений, высушенные при 65°С образцы растений сжигали в микроволновой печи с использованием NaOH–H₂O₂ смеси [17], затем в полученных растворах определяли содержание кремния.

Свежие образцы листьев растений анализировали на содержание пигментов (хлорофиллов a и б, а также каротиноидов) с использованием ацетоновых экстрактов [18].

Образцы почв отбирали в 3-кратной повторности, образцы растений – в 5-кратной. Полученные результаты статистически обрабатывали для определения доверительного интервала при р ≤ 0.05, используя программу EXCEL.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Под действием кратковременного холодового стресса значительно уменьшилась биомасса растений пшеницы и незначительно изменилась биомасса растений сахарной свеклы (табл. 1). Оба кремниевых биостимулятора увеличили биомассу пшеницы на 41 и 40% и биомассу сахарной свеклы – на 27 и 32% в условиях низкотемпературного стресса и в его отсутствие соответственно. Действие обоих биостимуляторов было сходным.

Оба кремниевых биостимулятора не влияли на концентрации водорастворимых и кислоторастворимых форм Si в почве, которые составили 8.3 ± 0.2 и 180 ± 15 мг Si/кг соответственно. Содержание Si в корнях и листьях пшеницы (0.85 ± 0.05 и 0.80 ± 0.04% Si) и сахарной свеклы (0.43 ± 0.03 и 0.32 ± 0.03% Si) также не изменилось при обработке тестированными препаратами.

Воздействие низкой температуры вызвало снижение содержания фотосинтетических пигментов в листьях контрольных растений (на 2.4–7.1% у пшеницы и на 5.2–6.8% у сахарной свеклы) (табл. 2). Обработка кремниевыми препаратами обеспечила увеличение содержания хлорофилла a, хлорофилла б и каротиноидов в обоих видах контрольных и подверженных холодовому стрессу растений. Различие в эффективности кремниевых биостимуляторов было незначительным. Содержание фотосинтетических пигментов увеличивалось с увеличением дозы препарата.

Без обработки кремнием содержание ТБК-продуктов при воздействии низкой температуры не изменилось в листьях пшеницы и незначительно увеличилось (от 56 до 59 нмоль/г сырой массы) в листьях сахарной свеклы. Оба кремниевых биостимулятора существенно снизили содержание ТБК-продуктов в листьях обоих видов растений по сравнению с контролем (табл. 3). Более значительное снижение наблюдали при обработке растений препаратом Ecosil 5 кг/га.

Воздействие низких температур, а также обработка препаратами кремния оказали слабое либо незначительное влияние на активность ГР. В условиях холодового стресса активность ГР в листьях пшеницы уменьшалась от 0.88 до 0.68 мкмоль/г сырой массы. Обработка кремниевыми биостимуляторами вызвала увеличение активности ГР только в растениях пшеницы, подверженных низкой температуре. В растениях сахарной свеклы кремниевые биостимуляторы увеличили активность ГР независимо от наличия холодового стресса. Более высокую эффективность продемонстрировал препарат Ecosil в дозе 5 кг/га, увеличив активность ГР от 0.20 до 0.29 мкмоль/г и от 0.22 до 0.33 мкмоль/г в отсутствие и в условиях холодового стресса соответственно.

В отношении активности AсП растения пшеницы были более отзывчивы на обработку кремниевыми препаратами по сравнению с сахарной свеклой. Низкотемпературное воздействие привело к снижению активности AсП от 5.8 до 4.6 мкмоль/г в пшенице и к увеличению данного показателя от 3.1 до 4.1 мкмоль/г в сахарной свекле. Обработка кремниевыми биостимуляторами обеспечила двукратное увеличение активности AсП в пшенице, тогда как в сахарной свекле увеличение активности составило только 19 и 9.7% в отсутствие и в условиях холодового стресса соответственно.

Активность ГПX также более заметно изменилась под влиянием кремниевых препаратов в пшенице по сравнению с сахарной свеклой. Охлаждение вызвало активацию ГПX от 15.6 до 17.5 мкмоль/г в листьях пшеницы и от 0.58 до 0.68 мгмоль/г в листьях сахарной свеклы. Обработка препаратом Ecosil привела к увеличению активности ГПX до 21.6 мкмоль/г (на 38.4%) в не подверженной охлаждению пшенице и до 24.6 мкмоль/г (на 40.6%) при охлаждении, тогда как соответствующее увеличение активности ГПX в сахарной свекле составило 25.8 и 22.0%.

Полученные результаты свидетельствовали, что использованные кремниевые препараты могли быть классифицированы как эффективные биостимуляторы. Действие обоих кремниевых препаратов было сходным. Предполагаем, что оба препарата служат источником образования монокремниевой кислоты – биохимически активной формы кремния, способной стимулировать антиоксидантную систему растений. Si-опосредованная активация ферментов-антиоксидантов зависела от вида растения. В случае пшеницы низкотемпературное воздействие и обработка кремнием оказывали слабое и неоднозначное влияние на активность ГР, тогда как в сахарной свекле оба фактора вызвали значительное увеличение данного показателя. Изменение активности AсП под действием кремния, напротив, было более существенным в растениях пшеницы по сравнению с сахарной свеклой.

Кремний-опосредованная защита растений могла быть обусловлена: 1 – косвенным влиянием на механизмы передачи внутриклеточных сигналов, что приводило к формированию ответной реакции клетки на внешнее воздействие, либо 2 – непосредственным влиянием на синтез соединений, участвовавших в инактивации АФК.

Участие активных форм кремния в функционировании сигнальной системы растений сложно подтвердить непосредственно существующими химическими и физическими методами, однако ряд авторов указывал на такую возможность [19]. Известно, что любой стресс инициирует усиленное поглощение и перераспределение Si внутри растения, обеспечивая его накопление в местах, подверженных стрессу [20]. Предполагаем, что активные формы Si способны напрямую участвовать в синтезе ферментов и стресс-белков. Этот механизм может включать следующие этапы:

1 – инициация. Кремнийсодержащий биостимулятор активирует сигнальную систему растения, что может привести к дополнительной транслокации Si в ткани, подверженные стрессу;

2 – поглощение кремния. Монокремниевая кислота начинает активно поглощаться из почвы через корневую плазмалемму (клеточный “шлюз”) и образовывать полимеры кремниевой кислоты [4, 12];

3 – распределение кремния. Соединения кремния частично поступают в эпидермальный слой, корневые чехлики, клеточные стенки и другие органы и ткани. Часть поглощенного Si аккумулируется в клетке в виде кремниевого геля, который может являться основой для дальнейшего низкотемпературного синтеза органических соединений. Другая часть Si хранится “про запас” в виде поликремниевой кислоты или геля внутри клеток или в межклеточном пространстве [12];

4 – синтез органических соединений. Синтез возможен на поверхности новообразованного кремниевого геля [22]. Процесс начинается с адсорбции органических молекул на поверхности геля и сопровождается определенными изменениями поверхности, приводящими к формированию специальной матрицы, которая “запоминает” структуру адсорбированной молекулы. После удаления реплицирующийся молекулы модифицированная Si-гелевая матрица обеспечивает каталитический синтез копий данной молекулы [22]. Этот процесс широко используется в органической химии и фармакологии [23].

Таким образом, стресс-фактор активирует сигнальную систему растений, инициируя дополнительный синтез стресс-белков и антиоксидантов. Одновременно с этим растение усиливает поглощение Si извне и инициирует перераспределение уже накопленного Si в подверженный стрессу орган. Получив информацию о стрессе, ядро клетки инициирует дополнительный синтез соединений защиты или их фрагментов, таких как стресс-белки, антиоксидантные ферменты и низкомолекулярные антиоксиданты. Синтезированные молекулы затем транспортируются в поврежденные органы. Однако при сильном стрессе скорость синтеза и количество синтезируемых соединений могут быть недостаточными. В результате нарастающего дефицита энергии и времени процесс синтеза “обычных” соединений, необходимых для функционирования клеток, замедляется или даже прекращается. Предполагаем, что некоторые из защитных соединений (или их фрагментов) могут перемещаться внутри клетки и сорбироваться кремниевым гелем, что обеспечивает их низкотемпературный каталитический синтез. Таким образом, Si-гелевая матрица может способствовать дополнительному синтезу защитных соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, показано, что как жидкая, так и твердая формы препаратов Si, использованные в низких дозах (2–5 кг Si/га), способствовали повышению устойчивости пшеницы и сахарной свеклы к холодовому стрессу. Оба препарата можно классифицировать как эффективные биостимуляторы благодаря способности повышать активность антиоксидантных ферментов, таких как аскорбатпероксидаза (AсП), глутатионредуктаза (ГР), гваякол-пероксидаза (ГПX) и снижать уровень перекисного окисления липидов.

Особенности антиоксидантной системы испытанных растений различались в зависимости от вида. У пшеницы холодовой стресс в основном усиливал активность AсП и ГПX, в то время как у сахарной свеклы он приводил к активации ГР.

Выдвинуто предположение, что кремниевые соединения могут непосредственно участвовать в синтезе стресс-белков и ферментов или их фрагментов. При этом ключевую роль играют поликремниевые кислоты. Поликремниевые кислоты могут образовывать кремниевый гель, обладающий специфическими поверхностными свойствами, облегчающими синтез органических молекул. Однако данная гипотеза нуждается в экспериментальном подтверждении.