Агрохимия, 2023, № 2, стр. 69-78

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день наблюдается снижение качества и количества производимой сельхозпродукции, в первую очередь связанное с поражением культур инфекционными заболеваниями: грибковыми, вирусными и бактериальными [1]. Одними из наиболее распространенных видов грибковых болезней сельскохозяйственных культур являются фомоз, фузариоз и ризоктониоз [2–6].

Ризоктониоз поражает картофель в широком диапазоне температур и влажности почвы, при этом источником инфекции служат больные растения картофеля и некоторые сорные растения. Главными факторами передачи возбудителя являются почва и больные клубни картофеля. Например, численность возбудителя в пахотных почвах Сибири меняется от 0 до 20 пропагул/100 г воздушно-сухой почвы, при этом более инфицированы почвы после посадок картофеля. Частота передачи возбудителя через зараженные клубни составляет от 29 до 70%, при этом вероятность передачи возбудителя воздушно-капельным путем возрастает при влажности воздуха >86% [7]. Ежегодные мировые потери картофеля от этого заболевания изменяются в диапазоне от 7 до 36%, а в Западной Сибири ежегодно теряется >50% продукции [8–10].

С целью повышения качества и обеспечения безопасности продукции в мире наблюдается растущий интерес к использованию ядерных технологий. Данный метод позволяет решать следующий ряд актуальных задач: сокращение использования химических удобрений с целью контроля безопасности почвы и пищевой продукции, борьба с насекомыми-вредителями, различными грибковыми и вирусными возбудителями, опасными для жизни человека и животных, продление сроков хранения продукции, задержка или стимуляция прорастания и многое другое [11–15].

В качестве источников ионизирующего излучения для радиационной обработки сельскохозяйственных культур разрешено применение тормозного излучения с энергией до 5 МэВ, генерируемого с помощью ускорителей электронов, и гамма-излучения от радиоактивных изотопов ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co, а также ускоренных электронов с энергией до 10 МэВ, генерируемое ускорителями. Выбор источника излучения зависит от категории обрабатываемой продукции и цели обработки [16]. Вследствие небольшой проникающей способности низкоэнергетичных электронов в литературе обсуждается возможность применения данного типа излучения для проведения поверхностной обработки биоматериалов без воздействия на их внутренние структуры [17].

Цель работы – исследование влияния ускоренных электронов с энергией 1 МэВ на продуктивность и фенологию картофеля, зараженного Rhizoсtonia solani.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Двухгодичное исследование влияния ускоренных электронов на продуктивность и фитосанитарное состояние урожая проводили на клубнях семенного картофеля сорта Лина с естественным заражением грибом Rhizoctonia solani Kühn (R. solani). Средний диаметр клубней составлял (4 ± 1) см, глубина залегания склероциев гриба – ≈2 мм.

В первый год исследования клубни в количестве 80 шт. подвергали воздействию излучения в дозах 20, 40, 100, 150, 200, 500, 1000, 2000 и 3000 Гр. Во 2-й год 192 клубня облучали в 5-ти дозах: 20, 40, 100, 150 и 200 Гр. Облучение образцов проводили на линейном ускорителе электронов непрерывного действия УЭЛР-1-25-Т-001 (ЦКП УНО, НИИЯФ МГУ, Россия) с максимальной энергией 1 МэВ и средней мощностью пучка 25 кВт.

При облучении образцы в количестве 8 шт. выкладывали на дюралюминиевую пластину с размерами 35 × 5 см на расстоянии 12 см от выхода пучка электронов. Проводили двухстороннее облучение картофеля с целью равномерного распределения дозы по поверхности клубней. Контрольные образцы находились в тех же условиях, что и подвергшиеся обработке. В табл. 1 представлены данные облучения, которые фиксировали в каждом сеансе облучения.

Распределение дозы, поглощенной клубнями, рассчитывали с помощью компьютерного моделирования с использованием инструментария GEANT 4 (ЦЕРН, Швейцария), основанного на методе Монте-Карло [18].

Клубни моделировали водным шаром диаметром 4 см, облучаемым с 2-х противоположных сторон электронами с энергией 1 МэВ. Для расчета распределения дозы по объему водного шара пространство вокруг шара, представляющее собой куб с ребром 4 см, разбивали на 40 × 40 × 40 кубических ячеек с ребром 1 мм, для каждой из которых подсчитывали суммарную полученную во взаимодействиях энергию ΔE_i. Дозу, поглощенную каждой ячейкой, определяли по формуле: $~{{D}_{i}} = \frac{{{{E}_{i}}}}{{{{m}_{i}}}}$, где Δm_i – масса ячейки.

По результатам расчетов проводили картирование дозы, отнесенной к максимальной величине дозы в срезе шара толщиной 1 мм в плоскостях, перпендикулярной и параллельной начальному направлению электронов в пучке. Как видно на рис. 1, вся доза поглотилась в поверхностных слоях водного шара, залегающих на глубине, не более чем 3 мм от поверхности шара. Таким образом, при облучении были затронуты только поверхностные слои картофеля, зараженные фитопатогеном, при этом внутренние слои облучены не были.

В ходе исследования проводили фенологические наблюдения за растениями картофеля, распространенностью форм ризоктониоза и продуктивностью культуры после предпосадочной обработки клубней низкоэнергетичными электронами.

Полевые исследования проводили в почвенно-климатических условиях, типичных для лесостепной зоны Западной Сибири. Почвенный покров опытного поля был представлен типичным для зоны выщелоченным среднесуглинистым черноземом с агрохимической характеристикой пахотного слоя почвы (0–30 см): гумус (по Тюрину) – ≈5%, содержание общего азота (по Кьельдалю) – 0.34 мг/100 г почвы, фосфора и калия (по Чирикову) – 29.0 и 13.0 мг/100 г почвы соответственно, рН 6.7–6.8.

Посадку картофеля осуществляли 05.06.2020 г. и 24.05.2021 г. Опытные исследования проводили на одном и том же участке с естественным фоном заселения почвы ризоктониозом, количество ризоктониоза в почве перед посадкой составляло 20 пропагул/100 г воздушно-сухой почвы. Распространенность ризоктониоза на посадочных клубнях составляла 100%. При посадке культуры повторность опыта была двукратной, густота посадки клубней – 35.7 тыс. клубней/га, площадь питания картофеля – 0.35 × 0.7 м. Удобрения в исследовании не применяли.

Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью пакета прикладных программ SNEDECOR (Сорокин, Россия), основанного на использовании стандартных методов математической обработки [19].

Период вегетации в 2020 и в 2021 гг. по температурному режиму был близок к среднемноголетним показателям (табл. 2). Осадки в данных вегетационных сезонах распределялись крайне неравномерно.

Май 2020 г. особенно выделялся по температуре и режиму увлажнения. Температура воздуха в этом месяце превышала средние показатели, тогда как количество осадков в начале месяца было больше, в конце – существенно меньше среднемноголетней нормы. Тем не менее, количество выпавших осадков превысило норму для данного региона в 1.5 раза. В 2021 г. температура воздуха также была выше среднемноголетней. В 3-й декаде мая увлажнение было недостаточным, осадков выпало в 2 раза меньше в сравнении со среднемноголетними показателями.

В июне 2020 г. и 2021 г. температура не показывала существенных отклонений от среднемноголетних показателей. В 2020 г. приход атмосферной влаги был ниже нормы более чем в 2 раза, в 2021 г. был выше нормы в 1.2 раза. Но при этом в 2021 г. в 1-ю декаду июня увлажнение было избыточным, т.к. количество выпавших осадков было больше в 1.7 раза по сравнению со среднемноголетней нормой. Во 2-й декаде месяца количество выпавших осадков также было меньше нормы в 8.7 раза. В 3-й декаде июня увлажнение превысило среднемноголетние показатели в 2 раза.

В июле 2020 г. и 2021 г. температурные показатели отклонялись от нормы не более чем на 2.5°С. Количество выпавших осадков по годам и декадам сильно варьировалось. В 2020 г. в 1-й и 3-й декадах превышение среднемноголетней нормы составило 1.7 и 1.6 раза соответственно, а во 2-й декаде осадков выпало в 2.9 раза меньше нормы. В целом, за месяц осадков выпало в 1.2 раза больше нормы. В 2021 г. 2-я и 3-я декады июля были засушливыми, осадков выпало меньше среднемноголетних показателей в 6.3 и 90.0 раза соответственно.

В 2020 г. и в 2021 г. август был достаточно теплым: температура воздуха превысила среднемноголетнюю норму. В 2020 г. приход атмосферной влаги в 1-й декаде месяца был в 1.7 раза ниже нормы, во 2-й декаде осадков выпало в 2.2 раза больше среднемноголетней нормы. При этом в конце 2-й декады выпало 26 мм (из 43 мм) в виде сильного дождя и града. В 2021 г. в 1-й декаде августа увлажнение было близко к среднемноголетним показателям. Во 2-й декаде данного месяца осадков выпало с избытком – в 1.8 раза больше нормы. Третья декада августа была засушливой, осадков выпало меньше среднемноголетних показателей в 4.1 раза.

Погодные условия вегетационного периода, а именно холодная погода в период посадки и до появления всходов, а также сильное переувлажнение почвы благоприятствовали развитию заболевания и заселению клубней картофеля склероциями R. solani.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Зависимость фенологии растений от дозы, полученной посадочным материалом, носила нелинейный характер для 2-х годов исследования. Контрольные образцы и образцы, обработанные в дозе 20 Гр, в фазах всходов и бутонизации имели показатели 25, 50 и 75% от общего количества растений. В фазе цветения только 25% растений соответствовали фенологической норме. Цветение 50 и 75% от общего количества растений происходило только в контроле (рис. 2). Для остальных образцов отмечено отсутствие некоторых фенофаз.

В первый год исследования начало фазы всходов растений (25%), выросших из необработанного картофеля, зафиксировали на 15-е сут после посадки, во 2-й год исследования – на 18-е сут после посадки. Для обоих годов исследования всходы картофеля, выросшие из облученных клубней, появились позже по сравнению с контрольными необлученными образцами.

Для первого года исследования при облучении посадочного материала в дозе 20 Гр начало фазы всходов было на 5 сут позже контроля, в дозах 40 Гр и 150 Гр – на 10 сут, в дозе100 Гр – на 12 сут. В дальнейшем, в течение периода вегетации также наблюдали значительную задержку развития растений картофеля, выросшего из клубней, прошедших обработку. После обработки посадочного материала в дозах 20 и 40 Гр массовые всходы растений (50%) были зафиксированы на 33-и и 35-е сут, а полные (75%) – на 56-е и 40-е сут после посадки соответственно. При этом для растений, выросших из контрольных образцов, данные фенофазы наступали на 17-е и 19-е сут соотствественно после посадки. Массовые всходы картофеля, выращенного из посадочных клубней, обработанных в дозе 100 Гр, были отмечены на 52-е сут, при этом фаза полных всходов отсутствовала. Воздействие электронов в дозе 150 Гр на посадочный материал не позволило растениям достичь фаз массовых и полных всходов. Воздействие на семенные клубни в дозе 200 Гр и более привело к полному ингибированию их прорастания.

Тенденция отставания в развитии облученных растений картофеля сохранилась и в фазе бутонизации картофеля. Всходы и бутонизация контрольных образцов имели более короткий период, чем те же стадии облученных растений. Для контрольных образцов фенофаза начала цветения была зафиксирована на 43-и сут после посадки, что было на 29 и 14 сут раньше, чем для образцов, обработанных в дозах 20 и 40 Гр соответственно. Обработка клубней в дозах 100 и 150 Гр не позволила растениям зацвести.

На 2-й год исследования при облучении посадочного материала в дозах 20 и 40 Гр начало всходов было отмечено на 27 сут позже контроля, в дозах 100 и 150 Гр – на 42 сут позже. При облучении посадочного материала в дозе 200 Гр количество взошедших растений на 59-е сут от посадки составило всего 9%, при этом количество растений, так и не достигнувших фазы начала всходов, составило 25% от общего количества взошедших. В течение периода вегетации наблюдали бóльшую по сравнению с первым годом исследования задержку развития растений картофеля, выросшего из клубней, прошедших обработку, по сравнению с контролем. При этом массовые всходы были зафиксированы только для контрольных образцов и для образцов, обработанных в дозе 40 Гр. В контрольных клубнях данная фенофаза наступала на 20-е сут после посадки, что было на 39 сут раньше, чем при обработке семенных клубней в дозе 40 Гр. В фазе бутонизации сохранялась та же тенденция к отставанию фенофаз у растений, выращенных из облученного картофеля, по сравнению с контрольными образцами. Начало бутонизации у контрольных растений наступило на 23-и сут после посадки, что было раньше на 24 сут, чем при обработке в дозах 100 и 200 Гр, и на 28 сут и на 36 сут позже при обработке клубней в дозах 40 и 20 Гр соответственно. Массовая бутонизация была зафиксирована у растений, посадочный материал которых был обработан в дозах 20 и 150 Гр, что было на 40 и 37 сут позже соответственно, чем для контрольных растений. Полная бутонизация была учтена только у контрольных образцов и наступила на 32-е сут после посадки. Фаза начала цветения была зафиксирована для всех образцов. Для контрольных образцов данная фенофаза была определена на 32-е сут. после посадки, что было раньше от 27-ми до 35-ти сут, чем для образцов, обработанных в дозах от 20 до 200 Гр соответственно. У растений с облучением посадочного материала отсутствовали фазы массового и полного цветения.

Количество взошедших и полноценно вегетирующих в дальнейшем растений уменьшалось с увеличением дозы обработки посадочного материала. В первый год при облучении семенного материала в дозах 20 и 40 Гр количество взошедших растений было на уровне контроля, воздействие в дозе 100 Гр снизило количество взошедших растений на 27.5%, а максимальное снижение густоты стояния растений уменьшилось на 77.5% по сравнению с контролем при обработке посадочного материала в дозе 150 Гр. Дозы свыше 200 Гр привели к полному ингибированию прорастания клубней. Во 2-й год исследования количество полноценно вегетирующих растений в контроле составляло 93.8%. Облучение посадочного материала в дозах от 20 до 200 Гр снижало данный показатель от 47 до 84.4%.

В среднем, за 2 года исследования количество взошедших растений было максимальным в контроле и составило 90.6% от общего количества посадочного материала, что было больше на 23 и 34%, чем при обработке семенного картофеля в дозах 40 и 20 Гр соответственно, на 53% больше, чем при обработке в дозе 100 Гр, и на 71 и 81% больше, чем у растений, посадочный материал которых был обработан в дозах 150 и 200 Гр соответственно.

При фитомониторинге посадок было установлено, что не взошедшие клубни картофеля погибли от воздействия комплекса грибов рода Fusarium, вызывающих сухую гниль.

Наблюдаемые процессы всхожести, бутонизации и вегетации повлияли на урожай культуры и его фракционный состав клубней в оба года исследования: чем выше была доза облучения, тем меньший сформировался урожай (табл. 3). При определении фракционного состава выделили такие фракции как мелкая – масса клубней <40 г, средняя – от 40 г до 80 г и крупная – >80 г.

В первый год исследования определение фракционного состава показало, что по сравнению с контрольными образцами при обработке клубней в диапазоне доз от 20 до 100 Гр сформировалось больше мелких и средних клубней – на 3.5–10.3% и на 5.4–21.5% соответственно, крупных – меньше на 11.8–26.8%. Во 2-й год исследования, при воздействии на клубни излучением в дозах от 20 до 200 Гр доля средних клубней также увеличивалась на 4.6–41.1%, крупных – уменьшалась на 7.4–39.2% по сравнению с контролем. Доля мелкой фракции в урожае 2021 г. увеличивалась при облучении во всех дозах, за исключением 40 и 200 Гр. При облучении в дозе 150 Гр в первый год исследования и дозе 200 Гр во 2-й год мелкая фракция картофеля отсутствовала совсем. В первый год исследования при этом преобладала крупная фракция, в то время как во 2-й год – средняя. За 2 года исследования максимальный урожай картофеля был у контрольных образцов, достоверно превышая данный показатель у облученных образцов в зависимости от дозы от 8.8 до 100% в 2021 г. и от 48 до 60% в 2022 г. При этом картофель, выросший из клубней, облученных в дозе 20 Гр, оказался наиболее продуктивным из всех изученных доз.

При фитоэкспертизе клубней картофеля нового урожая было установлено их поражение как несклероциальными, так и склероциальными формами ризоктониоза (табл. 4). Из несклероциальных форм преобладал сетчатый некроз. Углубленную пятнистость наблюдали у всех опытных образцов, максимальное количество данной формы присутствовало у картофеля, выращенного из контрольных образцов в 2021 г., и составило 91.3%. При облучении посадочного материала в дозах 20 и 40 Гр данный показатель в среднем был на уровне 17–22.5% от контроля. При обработке в дозах 100 и 150 Гр углубленная пятнистость или отсутствовала совсем, как в 2020 г., или в 2021 г. была на уровне 16–21%. Однако максимальная распространенность данной формы в 2021 г. была при облучении семенных клубней в дозе 200 Гр и составила 75%. Высокая доля распространенности трещин на клубнях была зафиксирована в 2020 г. как в контрольных образцах, так и при облучении посадочного материала в дозах 20 и 100 Гр и составила 10% и 13% соответственно. В 2021 г. данный показатель был меньше в 3.5–10  раз по сравнению с контролем. После облучения посадочного материала в дозе 20 Гр в первый год исследования и в дозе 100 Гр во 2-й год присутствовала уродливость клубней нового урожая и ее распространенность превышала этот же показатель у контрольных образцов на 9.6% и 8.3% соответственно.

В проведенном ранее исследовании [20] было установлено, что облучение ускоренными электронами с энергией 1 МэВ отделенных от культуры склероциев гриба R. solani в дозах от 20 до 900 Гр существенно не влияло на их рост. Облучение в дозах свыше 4500 Гр позволило полностью ингибировать развитие гриба в течение всего периода наблюдений.

В данном исследовании склероциальные формы ризоктониоза присутствовали практически на всех образцах обработанного картофеля, исключение составили клубни, посадочный материал которых был облучен в дозе 150 Гр как в первый, так и во второй год исследования. Для двух годов исследования распространенность склероциальных форм на клубнях нового урожая различалась. В 2021 г. в большей степени эти формы поражения наблюдали у клубней, посадочный материал которых был обработан в дозе 20 Гр, где распространенность склероций на поверхности клубней составила 100%, в меньшей степени при обработке в дозе 40 Гр – 56.2%, и менее всего они встречались на клубнях, обработанных в дозе облучения 100 Гр – 10.0%.

В 2021 г. распространенность склероциальных форм на клубнях нового урожая была меньше по сравнению с 2020 г. Даже у контрольных образцов она составляла 23.5% от общего количества клубней. У образцов, обработанных в дозах 100 и 200 Гр, данный показатель был максимальным и составил 33.3%, превышая контроль на 10.5 и на 30% для клубней, посадочный материал которых обработан в дозе 20 Гр. В целом на клубнях преобладали склероции, занимающие 1/10 поверхности клубня.

В 2020 г. преобладала распространенность склероциев на 1/4 и 1/2 поверхности клубня, в 2021 г. данные показатели были значительно ниже или вообще отсутствовали. Меньшая распространенность склероциев на поверхности клубней нового урожая при обработке посадочного материала в диапазоне доз от 40 до 150 Гр в сравнении с контролем (1/10, 1/4 и 1/2 поверхности клубней соответственно) объясняется более длительным процессом формирования растений, более коротким периодом клубненакопления и соответственно меньшим периодом времени, когда клубни могли быть заселены грибом R. solani.

Более высокая эффективность обработки ускоренными электронами с максимальной энергией 1 МэВ для подавления склероциальных форм ризоктиниоза, локализованных на поверхности картофеля, по сравнению с несклероциальными формами связана проникновением низкоэнергетичных электронов в поверхностные слои клубня, расположенные на глубине не более 3 мм от поверхности клубня, без оказания воздействия на внутренние структуры картофеля.

Доля непригодных клубней нового урожая варьировалась в зависимости от дозы обработки посадочного материала. При облучении семенного картофеля в дозе 20 Гр данный показатель составил 100%, так же как и для контроля, при облучении в дозах 40 и 100 Гр – на уровне 74.4 и 55.0% соответственно. При обработке семенного картофеля в дозе 150 Гр непригодные клубни полностью отсутствовали.

На рис. 3 представлены зависимости общего урожая, урожая средней фракции, как наиболее востребованной на рынке, а также зависимости распространенности склероциальных и несклероциальных форм ризоктониоза клубней нового урожая от дозы облучения семенного картофеля, полученные в 2020 г. и в 2021 г. Полученные экспериментальные данные могут быть аппроксимированы сигмоидальными зависимостями вида:

где u₁ – максимальная величина функции; u₂ – параметр, характеризующий ширину распределения функции по устойчивости биологических объектов к дозе облучения, u₃ – доза облучения, при которой количество устойчивых к облучению биообъектов уменьшается в 2 раза по сравнению с контрольным показателем, u₄ – уровень, показывающий количество биообъектов, устойчивых к максимальной полученной дозе облучения. Некоторые зависимости имеют более сложный вид и представимы в виде суммы из двух сигмоидальных функций. Сигмоидальный характер зависимостей говорит о различной восприимчивости образцов клубней картофеля и поразившего культуру фитопатогена к воздействию ионизирующего излучения. Влияние на полученный биологический эффект оказывает количество актов ионизации на единицу поверхности клубня, а также распределение глазков и склероциев по поверхности клубней.

Исходя из полученных эффектов подавления распространенности ризоктиниоза на клубнях нового урожая и снижения урожайности картофеля от дозы облучения семенного материала, были выбраны критерии оптимального диапазона доз предпосадочной радиационной обработки клубней картофеля. Нижняя граница диапазона соответствовала подавлению распространенности склероциальных форм ризоктиниоза на клубнях нового урожая от 10% и больше по сравнению с контрольными показателями, а верхняя граница диапазона определялась снижением урожая клубней не более, чем на 50% по сравнению с необработанным семенным картофелем. Таким образом, с учетом погрешностей аппроксимации зависимостей, представленных на рис. 3, для первого года исследования эффективный диапазон доз составил от (19 ± 2) до (36 ± 3) Гр, для второго года – от (15 ± 2) до (25 ± 3) Гр.

Таким образом, по результатам 2-летнего исследования было показано, что поверхностная обработка семенного картофеля ускоренными электронами в диапазоне от 20 до 25 Гр является эффективной для улучшения качества урожая культуры за счет подавления заболеваемости ризоктониозом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что предпосадочное облучение семенных клубней картофеля в диапазоне доз от 20 до 200 Гр приводило к задержке развития взошедших растений, свыше 200 Гр – к полному ингибированию прорастания клубней. Чем выше была доза облучения посадочного материала, тем позже наступали фазы всхожести, бутонизации и вегетации растений. При этом все дозы показали нелинейный отклик развития различных фаз вегетации растений от дозы облучения.

Было отмечено снижение урожая клубней, прошедших предпосевную радиационную обработку, с увеличением дозы облучения семенного картофеля, однако доля непригодных клубней в урожае также снижалась с увеличением дозы. Обработка посадочного материала также повлияла на фракционный состав клубней нового урожая.

Распространенность различных форм ризоктониоза на клубнях нового урожая снижалась с увеличением дозы предпосадочной обработки семенного картофеля ускоренными электронами с энергией 1 МэВ, что могло быть связано не только с прямым воздействием излучения на фитопатоген, но и с более коротким периодом клубненакопления и, соответственно, меньшим периодом времени, когда клубни могли быть заселены грибом R. solani из почвы.

При этом низкоэнергетичные электроны воздействовали только на верхние, пораженные грибком участки клубней, что делает такой способ обработки наиболее предпочтительным для корнеплодов.

На основании проведенного исследования рекомендуемый диапазон доз предпосадочного облучения семенного картофеля, улучшающий фитосанитарное состояние урожая, составляет от 20 до 25 Гр.