Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

УДК 614.876:633.16+577.15+577.175.1

DOI: 10.31857/S2500262723020059, EDN: AOTYNQ

ДЕЙСТВИЕ ПРЕДПОСЕВНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ

ЯЧМЕНЯ И АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ И ФИТОГОРМОНОВ

Н.Н. Лой, кандидат биологических наук, Н.И. Санжарова, член-корреспондент РАН,

Е.А. Казакова, кандидат биологических наук, С.В. Битаришвили, кандидат биологических наук

Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии,

249032, Калужская обл., Обнинск, Киевское шоссе, 109 км

E-mail: loy.nad@yandex.ru

Исследования проводили с целью определения возможности предпосевной обработки семян ячменя низкоэнергетическим

электронным излучением для улучшения ростовых процессов и снижения поражения фитопатогенами. В лабораторном

эксперименте изучали воздействие низкоэнергетического (160 кэВ) электронного излучения в дозах 1, 3 и 5 кГр при

мощности дозы 500 Гр/имп. на посевные качества, морфометрические показатели проростков, пораженность грибными

болезнями на естественном инфекционном фоне, а также на активность ферментов и концентрацию фитогормонов

в 7-и суточных проростках. В контроле семена не облучали. Обработка дозой 3 кГр вызвала статистически значимое

увеличение, по сравнению с контролем, лабораторной всхожести на 6 % и силы роста семян - на 10 %. Облучении в дозах

1 и 5 кГр не оказало влияния на величины этих показателей. В вариантах с дозой 1 и 5 кГр происходило увеличение

длины ростка, по сравнению с контролем, на 6,8…8,2 %, корешка - на 5,9…24,6 %. Доза 3 кГр не влияла на величины этих

показателей. Облучение не оказало значительного воздействия на сырую и сухую массу проростков и содержание в них

воды. Обработка семян электронным излучением полностью подавляло развитие Penicillium spp. при дозах 1, 3 и 5 кГр,

Fusarium spp. - при дозах 3 и 5 кГр, но значительно увеличивало пораженность проростков Bipolaris sorokiniana в 2,1 раза

и ее распространенность в 1,8 раза при дозе 5 кГр. Облучение не оказало влияния на активность большинства ферментов

и фитогормонов в проростках, кроме повышения содержания ИУК в 1,5 раза при дозе 5 кГр и ИМК в 2,7 раза при дозе

1 кГр, по сравнению с контролем.

THE EFFECT OF PRE-SOWING ELECTRON RADIATION ON THE DEVELOPMENT OF BARLEY

SEEDLINGS AND THE ACTIVITY OF ENZYMES AND PHYTOHORMONES

N.N. Loy, N.I. Sanzharova, E.A. Kazakova, S.V. Bitarishvili

Russian Institute of Radiology and Agroecology,

249032, Kaluzhskaya obl., Obninsk, Kievskoe shosse, 109 km

In a laboratory experiment, the effect of pre-sowing low-energy (160 keV) electron radiation at doses of 1, 3, and 5 kGy at a dose rate

of 500 Gy/pulse was studied. on sowing qualities, morphometric parameters of barley seedlings of the Vladimir spring variety, their

susceptibility to fungal diseases against a natural infectious background, as well as on the activity of enzymes and the concentration of

phytohormones in 7-day-old seedlings. The repetition in the experiment was 3-fold, non-irradiated seeds served as control. Irradiation

of seeds at a dose of 3 kGy caused a statistically significant increase in comparison with the control of laboratory germination (LV)

by 6 % and seed growth force (SPC) by 10 %, and at a dose of 1 kGy, an increase in root length by 24.6 % and had no significant

effect on morphometric parameters at a dose of 5 kGy. Seed treatment did not affect the green and dry weight of the seedlings and

the percentage of water content in them. Irradiation completely suppressed the development of Penicillium spp. at doses of 1, 3 and

5 kGy, Fusarium spp. - at doses of 3 and 5 kGy and significantly increased the prevalence of Bipolaris sorokiniana seedlings by 2.1

times and its prevalence by 1.8 times at a dose of 5 kGy. Electron irradiation of barley seeds had no effect on the activity of enzymes

and phytohormones, except for a significant increase in 7-day-old seedlings of the content of IAA at a dose of 5 kGy by 1.5 times and

IBA at a dose of 1 kGy by 2.7 times compared with the control.

Ключевые слова: ячмень яровой (Hordeum vulgare L.),

Key words: electronic radiation, spring barley Hordeum vulgare

электронное излучение, морфометрические показатели,

L., morphometric indicators, disease incidence, enzyme activity,

пораженность болезнями, активность ферментов,

phytohormone concentration

концентрация фитогормонов

Усилия многих ученых и специалистов направлены

и др.), и антиоксидантные ферменты (СОД, каталаза,

на изыскание новых методов обеззараживания семян без

пероксидаза) [7, 8].

применения ядохимикатов. К их числу можно отнести

Цель исследований - изучение возможности предпо-

развитие принципиально нового метода предпосевной

севной обработки семян ячменя низкоэнергетическим

подготовки семян, основанного на использовании

электронным излучением для улучшения ростовых про-

энергии электромагнитных излучений [1, 2, 3]. Его

цессов и снижения поражения фитопатогенами.

использование открывает возможности для решения

Методика. Эксперименты проводили на яровом

важных агроэкологических и социально-экономических

ячмене (Hordeum vulgare L.) сорта Владимир урожая

проблем, направленных на дальнейшее увеличение про-

2018 г. (репродукция элита). В процессе хранения всхо-

изводства продукции растениеводства [4, 5, 6].

жесть семян снизилась, что позволило полнее оценить

В экстремальных условиях важнейший механизм

влияние предпосевного облучения на их посевные ка-

устойчивости - активизация многоуровневой биохими-

чества. Схема опыта предусматривала облучение семян

ческой системы антиоксидантной защиты, в которую

перед посевом на электронном ускорителе «Дуэт» [9]

входит большое число компонентов. Среди них особое

в дозах 1, 3 и 5 кГр. Мощность дозы излучения составля-

место занимают низкомолекулярные метаболиты, про-

ла 500 Гр/имп., энергия электронов - 160 кэВ. Контролем

являющие антиоксидантные свойства (аскорбиновая

служили необработанные семена. Время экспозиции

кислота, глутатион, пролин, каротиноиды, флавоноиды

зависело от заданной дозы и энергии импульса, то есть

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

она набиралась количеством импульсов.

Через 5 дней после облучения семена проращи-

вали в рулонах фильтровальной бумаги в течение 7

суток в термостате при температуре +20 ⁰С согласно

ГОСТ 12038-84. При проведении лабораторных опы-

тов учитывали лабораторную всхожесть (ЛВ), длину

ростка и корешка, сырую и сухую массу проростков,

содержание воды в проростках. Учет пораженности

(степень поражения и распространенность) проростков

болезнями проводили по ГОСТ 12044-93.

Для анализа активности ферментов с рулонов филь-

тровальной бумаги отбирали семидневные проростки

ячменя в трех биологических повторностях на каждую

исследуемую дозу (одна повторность - 4…5 растений

с одного рулона). Образцы сразу же замораживали

а)

в жидком азоте и хранили в сосуде Дьюара до начала

анализа. Для исследования из каждой криопробирки

отбирали навеску ткани (~ 0,26 г) и гомогенизирова-

ли в фарфоровой ступке в жидком азоте. Гомогенат

быстро (избегая размораживания) переносили в чи-

стые пробирки и растворяли в 1 мл 0,05 М холодного

калий-фосфатного буфера (pH 7,0). Затем содержимое

пробирок перемешивали на вортексе, после чего гомо-

генат центрифугировали в течение 20 мин. при скорости

14500 об./мин. на мини-центрифуге «Eppendorf» с ох-

лаждением.Полученный супернатант использовали для

анализа. Пробоподготовку проводили с использованием

штатива-охладителя «CoolBox». Активность фермен-

тов каталазы и гваяколовой пероксидазы определяли

по методике [10], аскорбатпероксидазы - по методике

[11] с незначительными модификациями, связанными

с подготовкой реакционных смесей для анализа на бес-

б)

кюветном спектрофотометре. Экстракты анализировали

Рис. 1. Влияние облучения на морфометрические

на бескюветном спектрофотометре «NanoDrop-2000»

показатели проростков (а) и лабораторную всхожесть

и силу роста семян (б),

(Thermo, США).

Концентрацию фитогормонов - индолилуксусной

* различия статистически значимы, по сравнению

кислоты (ИУК), индолилмасляной кислоты (ИМК)

с контролем, при p≤ 0,05.

и абсцизовой кислоты (АБК) - оценивали в образцах

листьев методом высокоэффективной жидкостной

ния на величины этих показателей (рис. 1а). Нелинейный

хроматографии (ВЭЖХ). Навеску растительного ма-

характер зависимости между интенсивностью облуче-

териала массой 300 мг гомогенизировали в жидком

ния семян и откликом растений и патогенов отмечали

азоте, пробоподготовку образцов проводили согласно

и ранее на семенах огурца [14] и яровой пшеницы [15].

методике, ранее апробированной на проростках ячменя

Предпосевное электронное облучение семян в дозе

[12]. Качественный и количественный анализ целевых

3 кГр вызвало увеличение лабораторной всхожести (ЛВ),

компонентов осуществляли на высокоэффективном жид-

по сравнению с контролем, на 6 %, силы роста семян

костном хроматографе Shimadzu LC-30 Nexera (Япония)

(СРС) - на 10 %, но не оказало достоверного влияния

с диодно-матричным детектором SPD-M20A (Shimadzu).

на величины этих показателей в вариантах с дозами 1

Разделение фитогормонов проводили на аналитической

и 5 кГр (рис. 1б). Стимулирующее действие облучения

колонке с обращенной фазой С18 (Shim-pack XRODSII,

в дозе 3 кГр на посевные качества семян ячменя при от-

2 мкм, диаметр 3,0 мм, длина 100 мм, Shimadzu).

сутствии значимого эффекта на морфометрические пара-

Данные обрабатывали с помощью программного обе-

метры позволяют предположить различные механизмы

спечения Lab Solutions (Shimadzu). Анализ проводили

воздействия облучения на разные показатели развития

в 3 биологических повторностях с двумя техническими

семян ячменя. Подобные результаты были получены

репликациями.

исследователями в других работах [14, 15].

Экспериментальные данные анализировали мето-

Облучение не оказало статистически значимого

дами непараметрической статистики с использованием

влияния на сырую и сухую массу проростков, а также

программ MS Excel и STATISTICA. Статистическую

содержание воды в проростках. Сырая масса в расчете

значимость различий оценивали с помощью U-критерия

на 1 растение варьировала в пределах 0,30… 0,34 г,

Манна-Уитни.

сухая - в пределах 0,030… 0,035 г.

Результаты и обсуждение. Оценка механизма вли-

Результаты фитоэкспертизы 7-и суточных проростков

яния ионизирующего излучения на растения возможна

свидетельствуют о их пораженности возбудителями

путем определения изменения многих факторов, в том

грибных болезней Bipolaris sorokiniana Sh., Fusarium spp.

числе морфометрических показателей развития расте-

и Penicillium spp. (рис. 2). В наибольшей степени они были

ний [13]. Результаты анализа 7-и суточных проростков

поражены Bipolaris sorokiniana. Предпосевное облучение

ячменя свидетельствуют о том, что облучение семян в

в дозе 5 кГр статистически значимо увеличивало

дозе 1 и 5 кГр способствует увеличению длины ростка,

пораженность проростков этим возбудителем - в 2,1

по сравнению с контролем, на 6,8 …8,2 %, корешка - на

раза, распространенность болезни - 1,8 раза, а в дозах

5,9…24,6 %. Обработка дозой 3 кГр не оказывала влия-

1 и 3 кГр не оказывало значительного влияния на

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

а)

б)

Рис. 2. Влияние облучения на пораженность проростков ячменя Bipolaris sorokiniana (а) и Fusarium spp.

(б): П - пораженность, Р - распространенность.

величины этих показателей. Развитие Fusarium spp.

хранения плодов. Облучение зрелых плодов перца

и Penicillium spp. в контроле отмечали на достаточно

ускоренными электронами в диапазоне доз 1…7 кГр

низком уровне - 0,33 %. Облучение в дозах 1…5 кГр

[18] не изменяло или снижало активность ферментов

полностью подавило развитие Penicillium spp., в дозах 3

каталазы, аскорбатпероксидазы и супероксиддисмутазы,

и 5 кГр - Fusarium spp. (рис. 2б). В наших исследованиях

по сравнению с необлученными плодами, а активность

на огурце [14] было установлено, что эффективность

пероксидазы увеличивалась по мере роста дозы.

предпосевного облучения семян по степени снижения

Возможно, дозы низкоэнергетичного электронного

пораженности проростков грибными болезнями была

излучения, используемые в нашей работе недостаточны,

разнонаправленной и зависела от таких факторов, как

для того чтобы вызвать активацию или угнетение

сортовые особенности культуры, режим облучения,

изучаемых ферментов.

доза и продолжительность пострадиационного периода.

Активность каталазы, гваяколовой пероксидазы

Естественный инфекционный фон в эксперименте

и аскорбатпероксидазы в контрольных и облученных

в контроле был недостаточно высоким, однако позволил

проростках ячменя, МЕ* в мл реакционной смеси

выявить эффективность применения предпосевного

электронного облучения семян на радиочувствительность

Гваяколовая

различных патогенов.

Каталаза

Аскорбатпероксидаза

Доза

пероксидаза

Контроль уровня активных форм кислорода и продуктов

CAT

APX

POX

перекисного окисления липидов, которые могут возникать

0 (контроль)

230,849

0,150

2,943

в результате воздействия на растения различных стрессоров,

в том числе облучения проростков, осуществляется

1 кГр

201,835

0,060

3,127

антиоксидантной системой растений. К числу основных

3 кГр

208,142

0,128

2,943

ферментативных антиоксидантов относятся каталаза,

гваяколовая пероксидаза и аскорбатпероксидаза [16].

5 кГр

208,142

0,372

3,127

Изучение их работы поможет выяснить, как отвечает

*МЕ - международные единицы ферментативной активности.

антиоксидантная система растений на электронное

излучение в исследуемых дозах. В нашем исследовании

предпосевное облучение семян ячменя сорта Владимир не

Регуляция роста растений в условиях действия фак-

оказывало статистически значимого влияния на активность

торов различной природы, в том числе физических,

каталазы, аскорбатпероксидазы и содержание гваяколовой

опосредована работой гормональной системы [19].

пероксидазы, по сравнению с контролем (см. табл.).

Фитогормоны, вырабатываясь в очень низких концен-

В других исследованиях [17] было установлено,

трациях и транспортируясь по всему растению, коорди-

что облучение электронным пучком 0,5 кГр в целом

нируют различные пути передачи сигналов и реализацию

может увеличивать активность пероксидазы, каталазы

физиологических программ развития [20]. Изменение

и аскорбатпероксидазы в плодах киви в течение периода

фитогормонального статуса - своего рода индикатор

а)

б)

в)

Рис. 3. Содержание ИУК (а), ИМК (б) и АБК (в) в 7-и дневных побегах ячменя (данные представлены в формате первый

квартиль - Q1, медиана - Q2, третий квартиль - Q3; серым цветом обозначен блок, высота которого равна разности

между Q3 и Q2, черным - между Q2 и Q1; высота серо-черного блока равна интерквартильному размаху -

разности между Q3 и Q1),

*различия статистически значимы, по сравнению с контролем, по результатам U-теста.

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

функционального состояния растений, определяющего

А. А. Аверьянов, Т. Д. Пасечник, В. П. Лапикова и др.

его ростовые стратегии. Облучение семян в дозе 5 кГр

// Физиология растений. 2015. Т. 62. № 5. С. 628-637.

привело к статистически значимому (p=0,05) повышению

8. Влияние дефицита криптохромов 1 и 2 на

ИУК в 7-и суточных проростках в 1,5 раза (рис. 3а),

фотосинтетическую активность и про-

при дозах 1 и 3 кГр отмечали рост величины этого

антиоксидантный баланс в листьях растений Arabi-

показателя на уровне тенденции (p=0,10). Предпосевное

dopsis thaliana при действии уф-в / А. Ю. Худякова,

электронное облучение семян ячменя дозой 1 кГр

В. Д. Креславский, А. Н. Шмарев и др. // Физиология

вызвало статистически значимое (p=0,01) увеличение

растений. 2022. Т. 69. № 2. С. 207-215.

содержания ИМК, по сравнению с необработанными

9. Vorobyov M. S., Koval N. N., Sulakshin S. A. An electron

растениями, в 2,7 раза и не оказало влияния при

source with a multiaperture plasma emitter and beam

более высоких дозах 3 и 5 кГр (рис. 3б). Определение

extraction into the atmosphere // Instrum. Exp. Tech.

концентрации АБК, природного гормонального

2015. 58. No. 5. P. 687-695.

ингибитора роста терпеноидной природы, показало, что

10. Chance B., Maehly A. C. Assay of catalases and

электронное облучение семян не влияло на величину

peroxidases // Methods Enzymol. 1955. Vol. 2. P.

этого показателя (рис. 3в).

764-775.

Выводы. Низкоэнергетическое электронное облу-

11. Verma S., Dubey R. S. Lead toxicity induces lipid

чение семян ячменя перед посевом - эффективный прием,

peroxidation and alters the activities of antioxidant

использование которого в дозе 3 кГр повышает посевные

enzymes in growing rice plants // Plant Science. 2003.

качества семян (всхожесть на 6 % и силу роста на 10 %),

Vol. 164. P. 645-655.

в дозе 1 кГр вызывает увеличение длины корешка

12. Битаришвили С. В., Волкова П. Ю., Гераськин С. А.

на 24,6 %, в дозах 3 и 5 кГр способствует снижению

Влияние γ-облучения семян на фитогормональный

пораженности проростков фитопатогенами Penicillium

статус проростков ячменя // Физиология растений.

spp. и Fusarium spp. Необходимо провести дальнейшие

2018. Т. 65. № 2. С. 223-231.

исследования в более широком диапазоне доз с целью

13. Ульяненко Л. Н., Удалова Л. Н. Оценка состояния

выявления наиболее эффективного варианта.

окружающей среды по реакции сельскохозяйствен-

ных растений на действие ионизирующих излучений

Литература.

// Радиация и риск. 2015. Т. 24. № 1. С. 118-131.

Влияние электромагнитного поля низкой частоты

14. Влияние электронного излучения на радиорези-

на активность роста поверхностной микрофлоры

стентность фитопатогенной микрофлоры огурца

яблок / М. Г. Барышев, Н. Н. Волченко, Е. Е. Текуцкая

/ Н. Н. Лой, Н. И. Санжарова, С. Н. Гулина и др. //

и др. // Известия высших учебных заведений. Пищевая

Российская сельскохозяйственная наука. 2021. № 4.

технология. 2022. № 1. С. 77-82.

С. 47-50. doi : 10.31857/S2500262721040104.

Виневский Е. И., Чернов А. В. Влияние различных

15. Предпосевная обработка семян яровой пшеницы им-

режимов обработки листьев табака c градиентным

пульсным электронным пучком в атмосфере / С. Ю.

воздействием постоянного магнитного поля на их

Дорошкевич, К. П. Артёмов, Н. Н. Терещенко и др. //

химический состав // Известия высших учебных за-

Химия высоких энергий. 2021. Т. 55. № 4. С. 326-332.

ведений. Пищевая технология. 2022. № 2-3. С. 58-62.

16. Прадедова Е. В., Ишеева О. Д., Саляев Р. К. Класси-

Санжарова Н. И., Лой Н. Н. Эффективность

фикация системы антиоксидантной защиты как ос-

и перспективы применения ионизирующего

нова рациональной организации экспериментального

излучения для фитосанитарной обработки зерна и

исследования окислительного стресса у растений //

зернопродуктов // Пищевая промышленность. 2022.

Физиология растений. 2011. Т. 58. № 2. С. 177-185.

№ 5. С. 10-13. doi : 10.52653/PPI.2022.5.5.002.

17. Electron-beam irradiation delayed the postharvest

Шорсткий И. А., Худяков Д. А.Влияние

senescence of kiwifruit during cold storage through

электрофизической обработки на структуру

regulating the reactive oxygen species metabolism /

масличных материалов с применением X-ray

R. Li, S. Yang, D. Wang, et al. // Radiation Physics

микротомографии // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 8. №3.

and Chemistry. 2021. Vol. 189. Article. 109717. URL :

С. 116-123. doi : 10.20914/2310-1202-2018-3-116-123.

https ://www.sciencedirect.com/science/article/pii/

Resistance of different species of insect pests of grain

S0969806X21003674?via %3Dihub (дата обращения :

to the influence of gammaradiation / N. N. Loi, N.

09.03.2023). doi : 10.1016/j.radphyschem.2021.109717.

I. Sanzharova, T. V. Chizh, et al. // AIP Conference

18. Electron Beam Ionization Induced Oxidative Enzymatic

Proceedings. 2022. Vol. 2478. Article. 050018. URL :

Activities in Pepper (Capsicum annuum L.), Associated

https ://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0099264 (дата

with Ultrastructure Cellular Damages / Martianez-

обращения : 09.03.2023) doi : 10.1063/5.0099264.

solano J. R., Nchez-bel Saa P., Egea I., et al. // J. Agric.

Облучение биологических объектов с применением

Food Chem. 2005. Vol. 53. P. 8593-8599.

ионизационного пучка с целью ингибирования услов-

19. Phytohormones and their metabolic engineering for

но-патогенной и патогенной микрофлоры сельскохо-

abiotic stress tolerance in crop plants / S.H. Wani, V.

зяйственного сырья / М. А. Завьялов, В. А. Кухто, Н.

Kumar, V. Shriram, et al. // Crop J. 2016. - Vol. 4. P.

В. Илюхина и др. // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 8. №3.

162-176. doi :10.1016/j.cj.2016.01.010.

С. 278-283. doi : 10.20914/2310-1202-2018-3-278-282.

20. Генетика развития растений / Л. А. Лутова,

Системная защита риса от пирикуляриоза ин-

Т. А. Ежова, И. Е. Додуева и др. Спб. : Наука, 2010.

гибиторами антиокислительных ферментов /

539 с.

Поступила в редакцию 06.02.2023

После доработки 05.03.2023

Принята к публикации 19.03.2023