Последствия однократного воздействия нетермальной аргоновой плазмы на разных этапах органогенеза для роста и развития ячменя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Последствия однократного воздействия нетермальной аргоновой плазмы на разных этапах органогенеза для роста и развития ячменя

Д.И. Петрухина, О.В. Тхорик, В.И. Шишко, В.А. Харламов, П.Н. Цыгвинцев

Аннотация

Представлены результаты вегетационных экспериментов по действию низкотемпературной аргоновой плазмы на растения ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Владимир с целью изучения влияния на морфофизиологические показатели и урожайность. Воздействие плазмы проводилось однократно на трех этапах органогенеза растений ячменя: 3-й лист, кущение и выход в трубку. Длительность обработки составляла 15 и 30 мин. Растения выращивали до полной спелости. Было показано, что воздействие плазмой статистически значимо не изменяло большинство исследуемых показателей. Однако воздействие в течение 15 мин на растения ячменя в критический период развития (фаза 3 листа) приводило к увеличению массы корней растений на 77,8 % (p < 0,05) по сравнению с контрольными растениями.

А после облучения в фазу кущения увеличивалось число колосков в колосе главного стебля на 18,5 % при обработке в течение 15 мин (p < 0,001) и 11,17 % после 30 мин воздействия (p < 0,05). Наблюдали увеличение числа продуктивных стеблей и число зерен с бокового стебля. В то же время воздействие в течение 30 мин в фазу 3 листа снижало высоту растений на 7 % (p < 0,05). А воздействие в фазу кущения на 39 % (p < 0,01) снижало массу корней растений ячменя относительно контрольных растений. Напротив, воздействие низкотемпературной плазмы на растения ячменя в фазу выхода в трубку было менее выражено по сравнению с воздействием на более ранних стадиях развития. Это можно объяснить меньшей чувствительностью данной стадии органогенеза. Полученные результаты влияния однократного воздействия плазмы на разных этапах органогенеза растения ячменя могут быть полезны с целью повышения урожайности ячменя.

Ключевые слова: ячмень, Hordeum vulgare L., нетермальная аргоновая плазма, морфо-физиология, урожайность.

Abstract

Effects for barley growth and development of single exposure to low-temperature argon plasma at different organogenesis stages

Daria I. Petrukhina, Oksana V. Tkhorik Valentin I. Shishko Vladimir A. Kharlamov, Pavel N. Tsygvintsev

The paper presents the vegetation experiments results on the low-temperature argon plasma effect on barley plants (Hordeum vulgare L.) of the Vladimir cultivar and its influence on morphophysiological parameters and yield. Plasma treatment was once at three organogenesis stages of barley plants: 3rd leaf, tillering and booting. Plasma exposure was 15 and 30 min. The barley plants were grown to full maturity. Analysis of barley yield structure did not reveal clear patterns in the change in most parameters resulted from the plasma treatment. However, 15 min plasma exposure on barley plants in the critical development stage (3rd leaf) increased by 77.8 % (p < 0.05) the root weight of plants compared with control. After treatment at the tillering stage, the number of spikelets per main stem ear increased by 18.5 % (p < 0.001) after 15 min plasma exposure, and by 11.17 % (p < 0.05) after 30 min exposure. An increase in the number of productive stems and the number of grains per lateral stem ear was observed.

At the same time, 30 min exposure in the 3rd leaf stage reduced by 7 % (p < 0.05) the plant height. And the treatment in the tillering stage reduced by 39 % (p < 0.01) the root weight of barley plants. The effect of low-temperature plasma on barley plants at the booting stage was less expressed to the plasma effect at earlier development stages. This can be explained by the lower sensitivity of this stage of organogenesis. The obtained effects of single exposure to low-temperature argon plasma at different organogenesis stages of barley plants can be useful to increase barley yields.

Key words: barley, Hordeum vulgare L., non-thermal argon plasma, morpho-physiology, yield.

Введение

Согласно литературным данным, использование низкотемпературной (холодной) плазмы атмосферного давления в агропромышленном комплексе находится в стадии первоначального бурного развития, но перспективы здесь открываются весьма обширные [1, 2]. Во многих зарубежных исследованиях уже было продемонстрировано негативное воздействие низкотемпературной плазмы на бактерии [3, 4]. Одним из наиболее вероятных практических применений низкотемпературной плазмы в агротехнологиях является предпосевная обработка семенного материала с целью обеззараживания их поверхности от микроорганизмов, а также для стимулирования прорастания семян, роста и развития растений [5]. В литературе приведены данные исследований обработки низкотемпературной плазмой для дезинфекции поверхностей различных семян: семян ячменя [6], сои [7], томатов [8], огурца и перца [9]; зерен кукурузы [10], семян маша, или бобов мунг [11], семян базилика [12].

Кроме того, в литературе сообщается, что низкотемпературная плазма наиболее эффективна в борьбе с микробной обсемененностью поверхности семян по сравнению с обработкой электронным пучком. Оба метода ускоряли прорастание семян при кратковременной плазменной обработке (< 120 с) и всех применяемых дозах обработки электронным пучком (8...60 кГр). Но даже самая низкая доза обработки электронным пучком в 8 кГр в этом исследовании вызвала аномалии корней у проростков, что свидетельствует о пагубном воздействии на ткань семян [13]. Однако не исследованы последствия воздействия низкотемпературной плазмы атмосферного давления на сельскохозяйственные растения. Это представляется интересным для целей повышения урожая и качества продукции в хозяйствах. Формирование у растений ячменя ответных реакций на действие низкотемпературной плазмы в различные этапы органогенеза не было изучено. В период образования вегетативных органов, а также в генеративный период развития растений, влияние плазменного воздействия может быть различным.

Цель исследования -- изучение влияния в различные этапы органогенеза однократного воздействия низкотемпературной аргоновой плазмы на рост, развитие и урожайность зерновых культур на примере ярового ячменя.

Материалы и методы исследования

Объект исследования -- ячмень (Hordeum vulgare L.) ярового сорта Владимир. Растения выращивали в условиях вегетационного эксперимента в теплице в сосудах, содержащих 4,5 кг воздушно-сухой дерново-подзолистой почвы. В каждом сосуде выращивалось по 10 растений. Обработку растений проводили в различные фазы органогенеза: 3-й лист, кущение и выход в трубку. Этапы органогенеза определяли, ориентируясь на публикации Zadoks et al. и Tottman [14, 15].

В качестве источника низкотемпературной плазмы использовали описанную ранее установку [16, 17]. Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 1. В установке генерируется микроволновый разряд коаксиальной конфигурации в струе аргона при атмосферном давлении.

Для обеспечения равномерной обработки растений, а также снижения температуры потока при сохранении концентрации ионизации/активации на внешнем конце наконечника устроен газовый концентратор (рис. 2), выполненный двух частях из нержавеющей стали толщиной 0,4 мм. Концентратор образует расширительную камеру в виде усеченного конуса. Первая часть длиной 160 мм, диаметр основания конуса составил 100 мм, а диаметр его верхнего сечения -- соответственно 60 мм. Вторая часть концентратора длиной 390 мм имела диаметр верхнего сечения 100 мм и диаметр основания 230 мм. Нижний край концентратора находился на расстоянии 5 см от поверхности земли в сосуде. Расход аргона составлял 5 л/мин. Длительность обработки -- 15 и 30 мин.

Рис. 1. Источник СВЧ плазмы с коническим концентратором

Рис. 2. Процесс обработки растений СВЧ плазмой

Контролем служили необработанные растения. Действие низкотемпературной плазмы оценивали в конце вегетации по морфофизиологическим показателям и структуре урожая. Растения выращивали до полной спелости. Достоверность различий вариантов опыта относительно контроля устанавливали по ґ-критерию Стьюдента. В таблицах представлены средние значения и ошибка средней X±m.

Результаты исследования и обсуждение

Анализ структуры урожая показал, что воздействие низкотемпературной плазмой на растения ячменя в критический период развития (фаза 3-го листа) не оказало статистически значимого негативного эффекта на большинство параметров (табл. 1). Только высота растений, обработанных плазмой, была ниже относительно контрольных на 7 % (p < 0,05) после воздействия в течение 30 мин.

Таблица 1 Морфофизиологические показатели и структура урожая ячменя сорта Владимир в фазе полной спелости обработки низкотемпературной плазмой в фазе развития 3-й лист

*Различия с контролем достоверны при p < 0,05.

В то же время наблюдался значительный стимулирующий эффект на массу корней после 15 мин воздействия низкотемпературной плазмы (табл. 1). Масса корней растений, обработанных плазмой в течение 15 мин на 77,8 % (p < 0,05), превышала этот показатель у контрольных растений. Стимулирующее воздействие на корни растения ячменя могло способствовать появлению дополнительных боковых стеблей в процессе органогенеза. В эксперименте также наблюдали стимулирующий эффект от воздействия плазмой в течение 15 мин на число зерен с бокового стебля и их массу.

Облучение растений ячменя низкотемпературной плазмой в фазу кущение оказало стимулирующий эффект на некоторые показатели. Наблюдали статистически значимое увеличение числа колосков в колосе главного стебля на 18,5 % при обработке в течение 15 мин (р < 0,001) и 11,17 % после 30 мин воздействия (р < 0,05) (табл. 2). Так же можно отметить увеличение числа зерен с бокового стебля и их массы.

Таблица 2. Морфофизиологические показатели и структура урожая ячменя сорта Владимир в фазе полной спелости обработки низкотемпературной плазмой в фазе развития кущение

Различия с контролем достоверны при: *p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001.

В то же время воздействие плазмой в течение 30 мин на 39 % (p < 0,01) снижало массу корней растений ячменя относительно контрольных растений. В целом, также как и после воздействия низкотемпературной плазмой на растения ячменя в фазу 3-го листа, воздействие в фазу кущения не оказало статистически значимого негативного эффекта на большинство параметров (см. табл. 2).

Напротив, воздействие низкотемпературной плазмы на растения ячменя в фазу выхода в трубку было менее выражено по сравнению с воздействием на более ранних стадиях развития. Это можно объяснить меньшей чувствительностью данной стадии органогенеза. Также наблюдалась тенденция к увеличению числа продуктивных стеблей и числа зерен с бокового стебля. Однако воздействие в фазу выхода в трубку не оказало статистически значимого негативного эффекта на исследуемые параметры (табл. 3).

Таблица 3. Морфофизиологические показатели и структура урожая ячменя сорта Владимир в фазе полной спелости обработки низкотемпературной плазмой в фазе развития выход в трубку

Заключение

Таким образом, в ходе проведенных в условиях вегетационного эксперимента исследований установлено, что с увеличением времени обработки низкотемпературной плазмой наблюдаются негативные эффекты физиологического состояния растений. Воздействие в течение 30 мин в фазу 3-го листа снижало высоту растений на 7 % (p < 0,05), а воздействие в фазу кущения снижало массу корней растений ячменя относительно контрольных растений на 39 % (p < 0,01). Воздействие в фазу выхода в трубку не оказало статистически значимого негативного эффекта на исследуемые параметры. Таким образом, эффективность воздействия нетермальной плазмы зависела от фазы органогенеза ячменя. На ранний стадиях эффективность воздействия была выше. Воздействие в течение 15 мин на растения ячменя в критический период развития (фаза 3-го листа) приводило к увеличению массы корней растений на 77,8 % (p < 0,05) по сравнению с контрольными растениями. А после облучения в фазу кущения увеличивалось число колосков в колосе главного стебля на 18,5 % при обработке в течение 15 мин (p < 0,001) и 11,17 % после 30 мин воздействия (p < 0,05). Подобный стимулирующий эффект может быть полезен с целью повышения урожайности ячменя.

урожайность органогенез плазма ячмень

References / Библиографический список

1. Attri P., Ishikawa K., Okumura T., Koga K., Shiratani M. Plasma agriculture from laboratory to farm: A review. Processes. 2020; 8(8):1002.

2. Ito M., Oh J.S., Ohta T., Shiratani M., Hori M. Current status and future prospects of agricultural applications using atmospheric-pressure plasma technologies. Plasma Processes and Polymers. 2018; 15(2):1700073.

3. Niemira B.A. Cold plasma decontamination of foods. Annual Review of Food Science and Technology. 2012; 3(1):125--142.

4. Guo J., Huang K., Wang J. Bactericidal effect of various non-thermal plasma agents and the influence of experimental conditions in microbial inactivation: A review. Food Control. 2015; 50:482--490.

5. Mravlje J., Regvar M., Vogel-Mikus K. Development of cold plasma technologies for surface decontamination of seed fungal pathogens: present status and perspectives. Journal of Fungi. 2021; 7(8):650.

6. Park Y., Oh K.S., Oh J., Seok D.C., Kim S.B., Yoo S.J., et al. The biological effects of surface dielectric barrier discharge on seed germination and plant growth with barley. Plasma Processes and Polymers. 2018; 15(2):1600056.

7. Piza M.C.P., Prevosto L., Zilli C., Cejas E., Kelly H., Balestrasse K. Effects of non-thermal plasmas on seed-borne Diaporthe/Phomopsis complex and germination parameters of soybean seeds. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2018; 49:82--91.

8. Magureanu M., Srrbu R., Dobrin D., Grdea M. Stimulation of the germination and early growth of tomato seeds by non-thermal plasma. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2018; 38(5):989-1001.

9. Stepanova V., Slavcek P., Kelar J., Prasil J., Smekal M., Stupavska M., et al. Atmospheric pressure plasma treatment of agricultural seeds of cucumber (Cucumis sativus L.) and pepper (Capsicum annuum L.) with effect on reduction of diseases and germination improvement. Plasma Processes and Polymers. 2017; 15(2):1700076.

10. Holubova L., Svubova R., Slovakova L., Bokor B., Chobotova Krockova V., Rencko J., et al. Cold atmospheric pressure plasma treatment of maize grains--induction of growth, enzyme activities and heat shock proteins. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(16):8509.

11. Darmanin M., Frohling A., Bufiler S., Durek J., Neugart S., Schreiner M., et al. Aqueous and gaseous plasma applications for the treatment of mung bean seeds. Scientific Reports. 2021; 11(1):19681.

12. Abarghuei F.M., Etemadi M., Ramezanian A., Esehaghbeygi A., Alizargar J. An application of cold atmospheric plasma to enhance physiological and biochemical traits of basil. Plants. 2021; 10(10):2088.

13. Waskow A., Butscher D., Oberbossel G., Kloti D., Rudolf von Rohr P., Buttner-Mainik A., et al. Low-energy electron beam has severe impact on seedling development compared to cold atmospheric pressure plasma. Scientific Reports. 2021; 11(1):16373.

14. Zadoks J.C., Chang T.T., Konzak C.F. A decimal code for the growth stages of cereals. Weed research. 1974; 14(6):415--421.

15. Tottman D.R. The decimal code for the growth stages of cereals, with illustrations. Annals of applied biology. 1987; 110(2):441--454.

16. Tikhonov V.N., Aleshin S.N., Ivanov I.A., Tikhonov A.V. The low-cost microwave plasma sources for science and industry applications. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 927(1):012067.

17. Ivanov I.A., Tikhonov V.N., Tikhonov A.V. Microwave complex for obtaining low-temperature plasma at atmospheric pressure. Journal of Physics: Conference Series. 2019; 1393(1):012042.

Размещено на Allbest.ru