1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Российские нанотехнологии
  4. T. 18, № 3, 2023

Российские нанотехнологии, 2023, T. 18, № 3, стр. 337-345

Влияние обработок препаратами коллоидного серебра, стабилизированного полигексаметилен бигуанидом, на урожайность и биохимические показатели картофеля в условиях полевого опыта

Ю. А. Крутяков 1, 2, *, А. Г. Хина 1, М. Т. Мухина 3, О. А. Шаповал 3, Г. В. Лисичкин 1

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

2 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Москва, Россия

3 Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова
Москва, Россия

* E-mail: sir_yurii@mail.ru

Поступила в редакцию 18.01.2023
После доработки 06.03.2023
Принята к публикации 14.03.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведен полевой опыт по изучению эффекта предпосевной и фолиарной обработки картофеля (лат. Solanum tuberosum) сорта Ред Скарлет дисперсиями наночастиц серебра, стабилизированных гидрохлоридом полигексаметилен бигуанида. Обработки растений картофеля дисперсиями привели к увеличению значений морфологических показателей растений – высоты стебля, массы ботвы и массы листьев, что, в свою очередь, стало причиной достоверного роста урожайности (от 10.6 до 21.9% по сравнению с контрольным вариантом) и товарного качества клубней. Дисперсии серебра продемонстрировали фитопротекторное действие на растения картофеля, которое проявилось в снижении степени поражения листьев фитофторозом (P. infestans) с 30 до 7–8%. На основании проведенного анализа ферментативной активности в тканях листьев растения предложено объяснение наблюдаемого фитопротекторного эффекта наночастиц серебра.

ВВЕДЕНИЕ

Резкий рост мирового населения, преодолевший в ноябре 2022 г. рубеж в 8 млрд чел., обостряет проблему глобальной продовольственной безопасности. В связи с этим внедрение современных технологий в сельскохозяйственный сектор, позволяющих увеличивать урожайность выращиваемых культур и повышать экономическую эффективность производства продуктов питания, приобретает особую значимость. Стимуляторы роста способствуют лучшему развитию сельскохозяйственных растений за счет увеличения показателей энергии прорастания и всхожести семян, укрепления корневой системы, ускорения процесса цветения, стимуляции формирования зерен и плодов и роста зеленой массы [1]. Кроме того, применение таких препаратов позволяет защитить растения от абиогенных и биогенных факторов внешней среды, таких как перепады температур, засухи, заморозки и воздействие фитопатогенов, что в совокупности с ростостимулирующим эффектом приводит к получению высокого урожая [2].

Традиционно в качестве регуляторов роста растений используют препараты, содержащие синтетические аналоги эндогенных фитогормонов – низкомолекулярных веществ, вырабатываемых клетками и регулирующих экспрессию генов, ответственных, в том числе, за рост и развитие растений [3, 4]. Среди наиболее часто применяемых фитогормонов можно выделить ауксины, гиббереллины, брассиностероиды и цитокинины [2].

Другим подходом к стимуляции роста является опосредованное воздействие на растительный организм путем внесения небольших дозировок веществ, влияющих на активность ферментов, отвечающих за неспецифический иммунитет и индукцию активных форм кислорода (АФК), или эндогенный синтез фитогормонов [5, 6]. Особый интерес в данном направлении представляет использование препаратов на основе химически стабилизированных наночастиц благородных металлов, обладающих широким спектром биологических свойств [7]. Наиболее изученными и коммерчески доступными среди них являются наночастицы серебра (НЧAg), которые, с одной стороны, тонко воздействуют на гормональную и ферментативную системы растения, способствуя стимуляции роста [8–11], а с другой, в более высоких дозировках обладают собственной антибактериальной и фунгицидной активностью, что позволяет защитить растения и будущий урожай от воздействия фитопатогенов [12–14]. Действительно, антимикробная активность серебра известна с античных времен, а ставшая коммерчески доступной с развитием нанотехнологий нанодисперсная форма металла обладает еще большей эффективностью в отношении подавления роста микроорганизмов [14, 15]. Кроме того, в опубликованных в последнее десятилетие работах было показано, что НЧAg способны увеличивать концентрацию ауксинов и уменьшать восприимчивость рецепторов к этилену, что способствует набору зеленой массы растений, развитию корневой системы, а также позволяет растениям лучше справляться с фитопатогенами и абиогенными стрессами [16, 17]. При этом, поскольку высвобождение с поверхности НЧAg ионов серебра Ag+, являющихся цитотоксичными только в высоких концентрациях, происходит постепенно, наносеребро не обладает выраженной фитотоксичностью в концентрациях, достаточных для стимуляции роста растений и подавления фитопатогенных микроорганизмов [18].

Для сохранения агрегативной устойчивости НЧ в процессе их получения необходимо использовать эффективные стабилизаторы. Последние формируют потенциал скользящего слоя вблизи поверхности НЧ, превосходящий по модулю 30 мВ, и/или структурно-механический барьер, препятствующий их агрегации. Особый интерес для растениеводства представляет использование в качестве стабилизаторов НЧAg веществ, не только обеспечивающих коллоидную стабильность дисперсиям, но и проявляющих собственную биологическую активность и таким образом усиливающих биологическое действие НЧ [18]. Примером подобных веществ может выступать гидрохлорид полигексаметиленбигуанида (ПГМБ) – катионный полимер из ряда производных гуанидинов, повсеместно использующийся в качестве антисептика [19, 20]. Механизм антимикробного действия ПГМБ заключается в способности положительно заряженных макромолекул адсорбироваться на несущей отрицательный заряд поверхности фосфолипидной мембраны микроорганизмов и, приводя к ее перфорации, проникать в цитоплазматическое пространство и вызывать гибель клеток [21].

В [22] на примере сои было показано, что дисперсии на основе стабилизированных ПГМБ НЧ серебра (НЧAg-ПГМБ) обладают высокой активностью в отношении стимуляции роста растений и увеличения эффективности бобово-ризобиального симбиоза.

Несмотря на многочисленные доказательства положительного влияния НЧAg на морфологию и урожайность сельскохозяйственных растений, ряд лабораторных исследований свидетельствует об их негативном эффекте на некоторые виды культур, что является одним из факторов, сдерживающих массовое применение НЧAg в растениеводстве [23]. В качестве возможных механизмов фитотоксичного действия НЧAg выделяют окислительные повреждения цитоплазматических компонентов клеток растения, вызываемые действием молекул АФК, образующихся в результате окислительного стресса при контакте клеток растения с НЧAg, а также подавление НЧAg роста полезных для развития растений бактерий микробиоты почв [7]. Так, в обзорах [24, 25] продемонстрировано, что обработка растений дисперсиями НЧAg (особенно в концентрациях по серебру выше 100 мг/л) может приводить к замедлению роста корней и стебля растений, а также снижению всхожести семян. Вероятнее всего такие противоречивые данные связаны с различиями в условиях проведения экспериментов, в первую очередь концентрации НЧAg, а также с различиями в биологической активности исследуемых НЧAg, полученных по разным протоколам с использованием различных стабилизирующих агентов [10].

Известно, что биологическая активность НЧAg, в том числе токсичность в отношении растительных клеток, определяется множеством факторов, таких как диаметр, заряд, форма, агрегативная стабильность НЧ и, что наиболее важно, химические свойства стабилизатора [26, 27]. Целью данной работы стало исследование влияния НЧAg-ПГМБ с экспериментально установленными коллоидно-химическими параметрами на морфологические характеристики, биологическую урожайность и устойчивость к фитофторозу растений картофеля сорта Ред Скарлет. Кроме того, для углубления понимания механизмов, лежащих в основе ростостимулирующего и фитопротекторного эффекта, оказываемого НЧAg-ПГМБ на растения картофеля, была определена активность ферментов пероксидазы (ПО), каталазы (КАТ) и полифенолоксидазы (ПФО).

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Получение и коллоидно-химические характеристики дисперсии НЧAg-ПГМБ

Получение дисперсии НЧAg-ПГМБ. НЧ серебра получали методом химического восстановления с использованием нитрата серебра и боргидрида натрия в качестве прекурсора и восстановителя соответственно [18]. Для получения 250 г дисперсии 50 г водного раствора нитрата серебра, содержащего 0.1968 г (1.116 × 10–3 моль) AgNO3 (≥99%, Sigma-Aldrich), добавляли при интенсивном перемешивании через капельную воронку к 150 г водного раствора, содержащего 0.6250 г (1.443 × × 10–3 моль) ПГМБ (M = 3300 кДа, Shanghai Terppon Chemical, КНР). Полученную смесь перемешивали в течение 15 мин, после чего в реакционную массу вносили по каплям при интенсивном перемешивании 50 г водного раствора, содержащего 0.0880 г (2.326 × 10–3 моль) боргидрида натрия NaBH4 (99%, Acros Organics), и перемешивали реакционную массу 2 ч до полного прекращения выделения водорода. Концентрация серебра в полученной дисперсии составила 500 мг/л. Полученные дисперсии характеризовали методами спектрофотометрии в УФ- и видимой областях, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), динамического рассеяния света (ДРС).

Спектрофотометрия. Спектры поглощения в УФ-видимом диапазоне λ = 330–700 нм регистрировали на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu Corp., Япония) при концентрации НЧ, равной 10 мг/л по металлическому серебру, с использованием кварцевых кювет с длиной оптического пути 10 мм.

ПЭМ. Электронные микрофотографии были получены на микроскопе JEOL JEM-2100 с ускоряющим напряжением 200 кВ (JEOL, Япония). Перед проведением анализа методом ПЭМ образец водной дисперсии НЧ серебра разбавляли в 5 раз дистиллированной водой, после чего 1–2 мкл разбавленной дисперсии наносили на углеродную сетку и сушили на воздухе.

ДРС. ζ-потенциал и гидродинамический диаметр НЧ в полученной дисперсии определяли на анализаторе Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd., Великобритания). Измерения проводили при угле рассеяния 90° и концентрации НЧ, равной 50 мг/л по металлическому серебру. Коэффициенты диффузии НЧAg и следующие из них гидродинамические размеры частиц были рассчитаны с помощью программы DynaLS v.2.0 (Alango, Израиль) при допущении, что распределение частиц по размерам соответствует мономодальному распределению Гаусса.

Определение биологической активности дисперсии НЧAg-ПГМБ на картофеле

Характеристика сорта картофеля. Исследования проводили в полевом опыте на раннеспелом сорте картофеля Ред Скарлет. Сорт отличается интенсивным и быстрым накоплением урожая товарной продукции уже к 45–55-му дню вегетации. Растение низкое или среднерослое, полупрямостоячее. Клубни отличаются выровненным внешним видом. Имеют продолговатую удлиненно-овальную форму с соотношением диаметра к длине 1/1.5–1.69 (индекс формы), средние или крупные размеры, массу 60–125 г. По кулинарному назначению сорт относится к типам А–В, т.е. универсальный.

Характеристика условий на опытном участке полевых испытаний. Полевые испытания проводили в июне–сентябре 2022 г. в Предкамской зоне Республики Татарстан, Россия. Вегетационный период большинства сельскохозяйственных культур, возделываемых на территории Республики Татарстан, протекает в теплый период со среднесуточной температурой воздуха выше 10°С, который в Предкамской зоне составляет 132 дня в год. Сумма среднесуточных активных температур выше 10°С составляет 2150°С. Средняя минимальная температура в зимний период в республике колеблется от –13 до –14.5°С. Почва участка, на котором закладывали опыт, – светло-серая лесная, содержание в пахотном слое гумуса высокое (>3.0%), подвижного фосфора очень высокое (>250 мг/кг), обменного калия повышенное (121–170 мг/кг), обладает нейтральной реакцией среды (рН 6.1–7.0). Погодные условия во время вегетации картофеля в 2022 г. были неоднозначными для формирования высокого урожая. Количество выпавших за май осадков составило 50 мм, что на 13 мм больше средней многолетней нормы, а средняя температура воздуха была выше на 13.1°С. За июнь осадков выпало 33.6 мм, что на 38.4 мм меньше от среднемноголетней нормы, их распределение было неравномерным, основное количество выпало в первой декаде месяца. В июле основное количество осадков выпало в третьей декаде месяца, а в фазе цветения картофеля наблюдалась повышенная температура воздуха и недостаток атмосферной влаги.

Схема проведения полевого опыта. Схема опыта представлена пятью вариантами.

1. Контроль – фон NPK (внесение минеральных удобрений в количестве 40 кг/га в пересчете на каждый из трех элементов: азот, фосфор и калий).

2. Фон NPK + предпосадочная обработка клубней раствором ПГМБ (500 мг/л), расход раствора ПГМБ 150 мл/т клубней, расход рабочего раствора 15 л/т + двукратная листовая обработка растений раствором ПГМБ – первая в фазу бутонизации и вторая в фазу смыкания рядков, расход раствора ПГМБ 200 мл/га, расход рабочего раствора 300 л/га.

3. Фон NPK + предпосадочная обработка клубней дисперсией НЧAg-ПГМБ, расход дисперсии 150 мл/т клубней, расход рабочего раствора 15 л/т + однократная листовая обработка растений дисперсией НЧAg-ПГМБ в фазу смыкания рядков, расход дисперсии 200 мл/га, расход рабочего раствора 300 л/га.

4. Фон NPK + предпосадочная обработка клубней дисперсией НЧAg-ПГМБ, расход дисперсии 150 мл/т клубней, расход рабочего раствора 15 л/т + однократная листовая обработка растений дисперсией НЧAg-ПГМБ в фазу бутонизации, расход дисперсии 200 мл/га, расход рабочего раствора 300 л/га.

5. Фон NPK + предпосадочная обработка клубней дисперсией НЧAg-ПГМБ, расход дисперсии 150 мл/т клубней, расход рабочего раствора 15 л/т + двукратная листовая обработка растений дисперсией НЧAg-ПГМБ – первая в фазу бутонизации и вторая в фазу смыкания рядков, расход дисперсии 200 мл/га, расход рабочего раствора 300 л/га.

Обработку растений проводили в вечерние часы при температуре воздуха 15–18°С, безветрии и отсутствии росы. Для фолиарной обработки использовали ранцевый бензиновый опрыскиватель. Опыт закладывали в четырехкратной повторности, норма посадки клубней – 3.1 т/га (по схеме 75 × 30 см, средняя масса посадочного материала 70 г), в среднем густота посадки составляла ~44 000 штук посадочных клубней/га. Площадь опытных делянок – 100 м2, площадь учетных делянок – 50 м2. Предшествующая культура – озимая пшеница.

Оценку устойчивости надземной части растений картофеля к фитофторозу, вызываемому оомицетом Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, в полевых условиях проводили визуально на основе универсальной девятибалльной шкалы: 9 баллов – симптомы поражения отсутствуют; 1 балл – все листья и стебли растений полностью поражены заболеванием.

Уборку картофеля проводили вручную с каждой делянки с отбором образцов на определение биохимических показателей. Учет и структуру урожая клубней картофеля проводили с каждой делянки, взвешивая фракции отдельно.

Статистическую обработку данных и определение наименьшей существенной разности в морфологических показателях и урожайности растений картофеля проводили по стандартной методике Б.А. Доспехова “Обработка опытов с однолетними культурами”, основанной на выполнении критерия Фишера [28].

Для определения ферментативной активности в листьях растения отобранные ткани после отделения помещали в жидкий азот и транспортировали в сосудах Дьюара при температуре –196°С до места проведения дальнейших исследований.

Определение ферментативной активности

Активность пероксидазы (ПО, КФ 1.11.1.7) определяли по спектрофотометрической методике А.Н. Бояркина, основанной на измерении кинетики окисления бензидина (4,4'-диаминодифенила) пероксидом водорода в присутствии фермента [29].

Активность полифенолоксидазы (ПФО, КФ 1.10.3.1) определяли по спектрофотометрической методике А.Н. Бояркина, основанной на измерении кинетики окисления пирокатехина кислородом воздуха в присутствии ПФО путем регистрации увеличения оптической плотности продуктов окисления пирокатехина [29].

Активность каталазы (КАТ, НФ 1.11.1.6) определяли по газометрической методике, основанной на измерении объема выделившегося кислорода после добавления к содержащему КАТ водному экстракту растений пероксида водорода [29].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Дисперсии НЧAg-ПГМБ

В ходе синтеза при добавлении в реакционную массу NaBH4 наблюдали резкий переход окраски смеси из бесцветной в желто-коричневую, что свидетельствовало об образовании НЧ серебра. Полученная дисперсия НЧAg была охарактеризована методом спектрофотомерии в УФ-видимом диапазоне. В спектре поглощения свежеприготовленной дисперсии наблюдалась линия с максимумом λ = 434 нм (рис. 1), соответствующая поверхностному плазмонному резонансу (ППР) НЧ серебра. При этом относительно большая ширина ППР свидетельствует о высокой степени полидисперсности получившихся НЧ. Для оценки коллоидной стабильности полученной дисперсии НЧAg был проведен ее повторный спектрофотометрический анализ спустя 3 и 12 мес после синтеза (рис. 1). Из представленного спектра поглощения видно, что за 12 мес высота ППР изменилась незначительно (менее чем на 2%), что свидетельствует о высокой коллоидной устойчивости дисперсии. Однако небольшое смещение максимума поглощения (λ = 438 и 441 нм спустя 3 и 12 мес после синтеза соответственно), а также некоторое уширение линии ППР свидетельствуют о некоторой агрегации и укрупнении НЧ с течением времени.

Рис. 1.

Спектры поглощения в видимой области водной дисперсии НЧAg-ПГМБ.

С помощью ПЭМ была установлена морфология полученных НЧAg (рис. 2), они имели близкую к сферической форму и средний диаметр 4.92 ± 2.66 нм. Гистограмма распределения полученных НЧAg по размерам представлена на рис. 3. Несмотря на то что большинство частиц имело диаметр, близкий к среднему значению, в дисперсии также присутствовало ~4% частиц с диаметром 10 нм и выше, что согласуется с данными УФ-видимой спектроскопии, свидетельствующими о высокой полидисперсности системы.

Рис. 2.

ПЭМ-изображения дисперсии НЧAg-ПГМБ (а, б), электронная дифрактограмма (в).

Рис. 3.

Дисперсионный состав НЧAg-ПГМБ.

Методом ДРС был определен ζ-потенциал полученных НЧAg ζ = 42.6 ± 1.3 мВ, а также их гидродинамический диаметр dгд = 48.8 ± 0.5 нм.

Полевые испытания

Полученную дисперсию НЧAg-ПГМБ, содержащую 500 мг/л НЧ серебра и 500 мг/л полигексаметиленбигуанида, испытывали на раннеспелом сорте картофеля Ред Скарлет в условиях полевого опыта в Предкамской зоне Республики Татарстан (Россия). В рамках полевого опыта осуществляли предпосадочную обработку клубней раствором ПГМБ или дисперсией НЧAg-ПГМБ, а также листовую обработку растений в фазу бутонизации и/или в фазу смыкания рядков согласно схеме опыта, описанной в предыдущем разделе.

Поскольку ~95% сухого органического вещества формируется в процессе фотосинтеза, формирование максимального урожая картофеля невозможно без создания достаточной зеленой поверхности, обеспечивающей фотосинтетическую деятельность. Фолиарная обработка клубней и вегетирующих растений картофеля раствором ПГМБ не приводила к значимым изменениям морфологических показателей картофеля (табл. 1, вариант 2). Напротив, согласно результатам статистической обработки данных, обработка дисперсиями НЧAg-ПГМБ во всех вариантах приводила к достоверному увеличению надземной зеленой массы растения и других исследованных показателей при выращивании картофеля. Так, однократная фолиарная обработка в фазу бутонизации или смыкания рядков (табл. 1, варианты 3 и 4 соответственно) приводила к статистически значимому увеличению высоты стебля, а также росту массы ботвы и листьев растений по сравнению с фоновым вариантом 1. При этом обработка растений в более раннюю фазу смыкания рядков (вариант 3) давала несколько больший ростостимулирующий эффект, чем в фазу бутонизации (вариант 4). При увеличении кратности обработок растений дисперсией НЧAg-ПГМБ (вариант 5) наблюдался еще больший ростостимулирующий эффект, что выражалось в большей прибавке к длине стебля по отношению к фоновому варианту, а также большему нарастанию надземной массы ботвы и листьев растений.

Таблица 1.

Показатели роста и развития растений картофеля в зависимости от регламента применения дисперсии НЧAg-ПГМБ

Вариант Вариант Высота стебля, см Масса ботвы, г/куст Масса листьев, г/куст
1 Фон – NPK 41.5 187.27 96.34
2 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней ПГМБ + двукратная листовая обработка растений ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 40.9 185.01 96.18
3 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу смыкания рядков 46.3 216.20 108.34
4 Фон NPK + предпосадочная обработка НЧAg-ПГМБ клубней + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу бутонизации 43.7 207.07 106.52
5 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + двукратная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 48.4 224.07 115.31
  НСР05 1.76 14.92 6.02

Помимо ростостимулирующего эффекта дисперсии НЧAg-ПГМБ оказали фитопротекторное действие на надземную часть растений картофеля, что выражалось в снижении степени поражения кустов фитофторозом. Сорт Ред Скарлет обладает средней степенью устойчивости к фитофторозу. В текущем опыте это отразилось в поражении ~30% поверхности листьев растений в случае отсутствия обработок растений дисперсией НЧAg-ПГМБ. Однако предпосадочная обработка клубней и однократная фолиарная обработка вегетирующих растений позволили снизить этот показатель до 10–15%. Более того, при увеличении кратности фолиарной обработки до двух степень поражения фитофторозом листьев растений снизилась до 7–8%. Обработка раствором ПГМБ не привела к значимым изменениям степени поражения растений фитофторозом. В соответствии с общепринятой на территории России шкалой каждому опытному варианту был присвоен балл устойчивости к фитофторозу, полученные результаты сведены в табл. 2.

Таблица 2.

Развитие фитофтороза картофеля в зависимости от регламента применения дисперсии НЧAg-ПГМБ

Вариант Вариант Степень устойчивости растений к фитофторозу, балл
1 Фон – NPK 5
2 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней ПГМБ + двукратная листовая обработка растений ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 5
3 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу смыкания рядков 7
4 Фон NPK + предпосадочная обработка НЧAg-ПГМБ клубней + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу бутонизации 7
5 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + двукратная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 8

Урожайность картофеля является интегрированным и наиболее важным для сельского хозяйства показателем эффективности применения средств защиты растений. Несмотря на то что погодные условия по влагообеспеченности в августе 2022 г. негативно сказались на урожайности, предпосадочная и фолиарная обработки дисперсией НЧAg-ПГМБ позволили значительно увеличить валовый урожай картофеля Ред Скарлет (табл. 3). Так, в условиях проведения полевого опыта урожайность картофеля сорта Ред Скарлет находилась в диапазоне от 13.52 до 16.48 т/га. Прибавка урожайности в вариантах с применением дисперсии НЧAg-ПГМБ составила 1.44–2.96 т/га, при этом, как и в случае с морфологическими показателями растений, наилучшего эффекта удалось достичь при максимальной норме расхода препарата, достигаемой за счет предпосадочной обработки клубней и двукратной фолиарной обработки вегетирующих растений. Так, наибольшая урожайность (16.48 т/га) была получена в варианте 5 (Фон NPK + предпосадочная обработка клубней + двукратная листовая обработка растений). Примечательно, что при однократной обработке вегетирующих растений эффективнее оказалось более раннее внесение дисперсии в фазу смыкания рядков, нежели в фазу бутонизации. Данный эффект может быть связан с более длительным временем воздействия в варианте 4 НЧAg, обладающих пролонгированным действием за счет медленного окисления кислородом воздуха и эндогенными АФК и постепенного высвобождения активных ионов Ag+ со своей поверхности, воздействующих на гормональную и ферментативную систему растений.

Таблица 3.

Показатели роста количества и качества урожая в зависимости от регламента применения дисперсии НЧAg-ПГМБ

Вариант Вариант Валовый урожай, т/га Среднее количество клубней 1 куста, шт. Средняя масса клубней 1 куста, г
1 Фон – NPK 13.52 7.1 338.1
2 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней ПГМБ + двукратная листовая обработка растений ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 13.4 7.0 335.1
3 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу смыкания рядков 15.92 7.9 398.1
4 Фон NPK + предпосадочная обработка НЧAg-ПГМБ клубней + однократная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазу бутонизации 14.96 7.4 374.6
5 Фон NPK + предпосадочная обработка клубней НЧAg-ПГМБ + двукратная листовая обработка растений НЧAg-ПГМБ в фазах смыкания рядков и бутонизации 16.48 8.3 412.7
  НСР05 0.98 0.4 11.5

Обработки растений разными дозами НЧAg-ПГМБ благотворно отразились и на структуре урожая. Так, предпосадочная обработка клубней с двукратной листовой обработкой растений (вариант 5) способствовала максимальному нарастанию массы клубней и в пересчете на один куст она составила 412.7 г, что на 74.6 г выше контрольного варианта. Кроме того, под действием предпосадочных обработок клубней дисперсией НЧAg-ПГМБ и некорневых подкормок растений увеличивалось количество клубней в расчете на 1 куст по сравнению с контрольным вариантом. Так, максимальное количество клубней в пересчете на один куст также отмечено в варианте 5 опыта, которое составило 8.3 шт., что на 1.2 шт. больше, чем у фонового варианта без обработок НЧAg-ПГМБ.

Как и в опытах по изучению морфологических показателей и устойчивости растений к действию фитофтороза, обработка картофеля растворами, содержащими ПГМБ без НЧAg (вариант 2), не привела к статистически значимым различиям в количестве и структуре урожая по сравнению с фоновым вариантом.

Для углубления понимания биохимических механизмов, лежащих в основе положительных эффектов, оказываемых НЧAg-ПГМБ на сельскохозяйственные показатели картофеля сорта Ред Скарлет, была определена активность важнейших растительных ферментов – пероксидазы, каталазы и полифенолоксидазы. Установлено, что их активность последовательно возрастала с увеличением вносимых дозировок дисперсии НЧAg-ПГМБ (табл. 4), что может свидетельствовать об активации неспецифического иммунитета растений под действием серебра [32]. Таким образом, пероксидазная система играет ключевую роль в окислительно-восстановительных процессах клетки, контролируя интенсивность окислительных реакций вплоть до развития в них реакции сверхчувствительности (СВЧ-реакции), препятствующей распространению фитопатогенов по тканям растений [31]. Накопление фенольных соединений, особенно в эпидермальных тканях растения, о котором косвенно свидетельствует увеличение активности ПФО, также является важным звеном формирования защитных реакций против фитопатогенов [32, 33]. Рост активности КАТ, вероятно, связан с успешной регуляцией растениями интенсивности контролируемого окислительного стресса, вызываемого эндогенным пероксидом водорода и другими АФК, генерирующимися при активизации пероксидаз клеточной стенки после их контакта с НЧAg [34, 35].

Таблица 4.

Влияние обработок НЧAg-ПГМБ на активность ферментов ПО, КАТ и ПФО в листьях растений картофеля

Вариант Активность пероксидазы,
(Ед./г. сырой массы × с) 		Активность каталазы,
(мкМ H2O2/г. сырой массы × мин) 		Активность полифенолоксидазы, (Ед./г. сырой массы × мин)
1 211 ± 4 1328 ± 26 34.9 ± 1.2
2 214 ± 5 1299 ± 28 34.8 ± 1.4
3 242 ± 3 1632 ± 24 33.4 ± 2.1
4 230 ± 5 1588 ± 30 38.2 ± 1.6
5 256 ± 3 1784 ± 31 41.5 ± 1.2

Следовательно, увеличение активности ПО и ПФО в результате контролируемого умеренного абиогенного стресса, вызванного воздействием наносеребра, способно приводить к активации механизмов неспецифической защиты растения, что, вероятно, и явилось причиной повышенной устойчивости обработанных дисперсией НЧAg-ПГМБ кустов картофеля к воздействию фитопатогенного оомицета Phytophthora infestans. Действительно, количество вносимого в проведенных полевых опытах наносеребра составляет всего 75 мг в пересчете на тонну клубней при предпосадочной обработке и 100 мг в пересчете на гектар при фолиарном опрыскивании растений, что значительно ниже эффективных фунгицидных концентраций НЧAg [36]. Таким образом, фитопротекторное действие НЧAg обусловлено не контактным действием НЧAg на клетки фитопатогенов, а воздействием НЧ на гормональную и ферментативную системы растения, что продемонстрировано в данной работе через увеличение активности ферментов ПО и ПФО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изучено влияние предпосадочной и фолиарной обработок водными дисперсиями НЧ серебра, стабилизированных гидрохлоридом полигексаметилен бигуанида (ПГМБ), на морфологические характеристики, урожайность и устойчивость к фитофторозу растений картофеля сорта Ред Скарлет. По результатам проведенного полевого эксперимента установлено, что обработки картофеля дисперсиями НЧAg приводят к увеличению морфологических параметров растения, таких как высота стебля, масса ботвы и масса листьев, что, в свою очередь, приводит к достоверному увеличению урожайности картофеля, а также улучшению структуры урожая. Так, применение дисперсии НЧAg-ПГМБ позволило получить прибавку к урожайности в 1.44–2.96 тонны в пересчете на гектар. При этом увеличение кратности обработок растений и смещение времени фолиарного опрыскивания на более ранний срок приводили к увеличению положительных эффектов, оказываемых НЧAg-ПГМБ на сельскохозяйственные показатели картофеля.

Кроме того, дисперсии НЧAg-ПГМБ продемонстрировали фитопротекторное действие, что выражалось в снижении степени поражения листьев картофеля фитофторозом. Поскольку количества НЧAg, вносимых в ходе полевого опыта в пересчете на массу обрабатываемых клубней или площадь посевов, были значительно ниже эффективных подавляющих рост P. Infestans концентраций наносеребра, данный эффект не может быть обусловлен контактным действием наночастиц на клетки фитопатогена. Однако рост активности ферментов ПО, КАТ и ПФО, наблюдаемый в тканях листьев растений в результате контролируемого умеренного абиогенного стресса, вызванного действием НЧAg, свидетельствует об активации неспецифического иммунитета, что и стало причиной повышенной устойчивости обработанных дисперсией НЧAg-ПГМБ кустов картофеля к воздействию фитопатогенного P. Infestans.

Таким образом, показано, что даже в низких концентрациях, недостаточных для прямого фунгицидного и бактерицидного эффекта, НЧAg способны оказывать фитопротекторное действие, опосредованно влияя на физиологические процессы в тканях растений картофеля, активируя ферментативную систему и таким образом индуцируя системную устойчивость. Данное свойство НЧAg расширяет окно возможностей их применения в качестве действующего вещества средств защиты растений и потенциально может быть использовано для снижения общей экологической нагрузки, оказываемой химическими фунгицидами на сельскохозяйственные растения и агроценозы в целом. Сочетание уникальных биохимических свойств, лежащих в основе механизмов ростостимулирующих и фитопротекторных свойств наносеребра, обусловливает высокую актуальность дальнейших исследований в области применения НЧAg в растениеводстве и делает эту тему заслуживающей детального изучения. Особый интерес в указанном направлении, на наш взгляд, представляют НЧAg, стабилизированные различными биологически активными соединениями, усиливающими или дополняющими эффекты, оказываемые НЧAg на растения.

Список литературы

  1. Bons H.K., Kaur M. // J. Horticultural Sci. Biotechnol. 2020. V. 95. № 2. P. 137. https://doi.org/10.1080/14620316.2019.1660591

  2. Sabagh A.E.L., Mbarki S., Hossain A. et al. // Frontiers in Agronomy. 2021. V. 3. https://doi.org/10.3389/fagro.2021.648694

  3. Ji Y., Wang A. // Plants. 2021. V. 10. https://doi.org/10.3390/plants10102061

  4. Kosakivska I.V., Vedenicheva N.P., Babenko L.M. et al. // Mol. Biol. Rep. 2022. V. 49. № 1. P. 617. https://doi.org/10.1007/s11033-021-06802-2

  5. Asija S., Seth T., Umar S., Gupta R. // J. Plant Growth Regul. 2022. V. 41. № 7. https://doi.org/10.1007/s00344-022-10837-5

  6. Shukla P.S., Borza T., Critchley A.T., Prithiviraj B. // Front. Mar. Sci. 2016. V. 3. Art. 81. https://doi.org/10.3389/fmars.2016.0008

  7. Burketová L., Martinec J., Siegel J. et al. // Biotechnol. Adv. 2022. V. 58. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2022.107929

  8. Tariq M., Mohammad K.N., Ahmed B. et al. // Molecules. 2022. V. 27. https://doi.org/10.3390/ molecules27154754

  9. Sadak M.S. // Bull. Natl. Res. Cent. 2019. V. 43. https://doi.org/10.1186/s42269-019-0077-y

  10. Mahajan S., Kadam J., Dhawal P. et al. // Plant Cell Tissue and Organ Culture. 2022. V. 150. P. 15. https://doi.org/10.1007/s11240-022-02249-w

  11. Khan I., Awan S.A., Raza M.A. et al. // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2021. V. 28. № 11. P. 13712. https://doi.org/10.1007/s11356-020-11612-3

  12. Gupta N., Upadhyaya C.P., Singh A. et al. // Nanobiotechnology Applications in Plant Protection. Springer International Publishing, 2018. P. 247. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91161-8_9

  13. Mondal A., Chowdhury S., Mondal N.K. et al. // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2022. V. 19. P. 1573. https://doi.org/10.1007/s13762-021-03181-w

  14. Khina A.G., Krutyakov Y.A. // Appl. Biochem. Microbiol. 2021. V. 57. P. 683. https://doi.org/10.1134/S0003683821060053

  15. Barillo D.J., Marx D.E. // Burns. 2014. V. 40. P. 3. PMID: https://doi.org/10.1016/j.burns.2014.09.00925418435

  16. Mahendran D., Geetha N., Venkatachalam P. // In vitro Plant Breeding towards Novel Agronomic Traits. Singapore: Springer, 2019. P. 59. https://doi.org/10.1007/978-981-32-9824-8_4

  17. Mahendran1 D., Kavi Kishor P.B., Geetha N., Venkatachalam P. // J. Appl. Phycol. 2018. V. 30 № 2. P. 1425. https://doi.org/10.1007/s10811-017-1293-1

  18. Krutyakov Y.A., Kudrinsky A.A., Gusev A.A. et al. // Mater. Res. Expr. 2017. V. 4. № 7. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa7a2e

  19. Feng L., Wu F., Li J. et al. // Postharvest Biol. Technol. 2011. V. 61. P. 160. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2011.03.002

  20. Ampawong S., Aramwit P. // J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2017. V. 28. № 13. P. 1286. https://doi.org/10.1080/09205063.2017.1321339

  21. Sowlati-Hashjin S., Carbone P., Karttunen M. // J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. № 22. P. 4487. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c02609

  22. Krutyakov Yu.A., Mukhina M.T., Shapoval O.A., Zargar M. // Agronomy. 2022. V. 12. № 6. https://doi.org/10.3390/agronomy12061473

  23. Siddiqi K.S., Husen A. // Crit. Rev. Biotechnol. 2022. V. 42. № 7. P. 973. https://doi.org/10.1080/07388551.2021.1975091

  24. Sharma P., Bhatt D., Zaidi M.G.H. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2012. V. 167. P. 2225. https://doi.org/10.1007/s12010-012-9759-8

  25. Amooaghaie R., Tabatabaei F., Ahadi A.M. // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2015. V. 113. P. 259. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.12.017

  26. Abramenko N., Semenova M., Khina A. et al. // Nanomaterials (Basel). 2022. V. 12. № 22. https://doi.org/10.3390/nano12224003

  27. Kudrinskiy A., Zherebin P., Gusev A. et al. // Nanomaterials (Basel). 2020. V. 10. № 8. https://doi.org/10.3390/nano10081459

  28. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агропромиздат, 1987. 430 с.

  29. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат., 1985. 351 с.

  30. Segal L.M., Wilson R.A. // Fungal Genet. Biol. 2018. V. 110. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.fgb.2017.12.003

  31. Camejo D., Guzmán-Cedeño Á., Moreno A. // Plant Physiol Biochem. 2016. V. 103. P. 10. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.02.035

  32. Zhang J., Sun X. // Phytochemistry. 2021. V. 181. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2020.112588

  33. Slobodníková L., Fialová S., Rendeková K. et al. // Molecules. 2016. V. 21. № 12. https://doi.org/10.3390/molecules21121717

  34. Yan A., Chen Z. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. № 5. https://doi.org/10.3390/ijms20051003

  35. Tavanti T.R., Melo A.A.R., Moreira L.D.K. et al. // Plant. Physiol. Biochem. 2021. V. 160. P. 386. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.01.040

  36. Mansoor S., Zahoor I., Baba T.R. et al. // Front. Nanotechnol. 2021. V. 3. https://doi.org/10.3389/fnano.2021.679358

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Российские нанотехнологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал