Влияние СВЧ-обработки на относительную засухоустойчивость яровых и озимых злаков

Размещено на http://www.allbest.ru

Кемеровский государственный медицинский университет Минздрава России

Кузбасская государственная сельскохозяйственная академия, Кемерово

Влияние СВЧ-обработки на относительную засухоустойчивость яровых и озимых злаков

О.М. Соболева, Е.П. Кондратенко

Аннотация

Актуальность и цели. Повышение засухоустойчивости основных продовольственных культур при нарастающих изменениях климата и погоды на планете - одна из актуальнейших задач, стоящих перед учеными. Необходимость поиска новых эффективных, недорогих, безопасных методов обусловила появление данной работы. Цель исследований - определить характер влияния СВЧ-обработки на засухоустойчивость яровых и озимых злаков. Материалы и методы. Определяли относительную засухоустойчивость методом проращивания семян в растворе осмотика (сахарозы). Объектами служили семена яровой мягкой пшеницы сорта Новосибирская 31, ярового ячменя сорта Сибиряк, ярового овса сорта Креол, озимой ржи сорта Петровна, озимой мягкой пшеницы сорта Московская 56, озимой тритикале сорта Омская. Схема эксперимента включала в себя восемь вариантов, сочетающих разные концентрации растворов сахарозы (1,4, 7,4, 16,6 %) и СВЧ-обработку (частота магнетрона 2,45 ГГц, мощность 0,42 Вт, экспозиция 11 с). Контролем служил вариант с дистиллированной водой, без СВЧ-обработки. Семена проращивали при температуре 21 °С в течение семи суток. На седьмые сутки определяли результаты прорастания семян и выражали их в процентах к контролю. Результаты. Наличие повышенного осмотического давления при прорастании семян злаков (без СВЧ-обработки) приводит к уменьшению числа проростков. Увеличение концентрации сахарозы в растворе снижает количество проросших жизнеспособных семян. Однако степень этого уменьшения сильнее выражена у яровых культур. Действие высокого осмотического давления на прорастающие семена (без предварительной СВЧ-обработки) приводит к тому, что все изучаемые озимые хлебные злаки относятся к группе со средней засухоустойчивостью, яровые - к группе слабоустойчивых. Предварительная СВЧ-обработка семян существенно повышает засухоустойчивость проростков злаков, что особенно ярко проявляется у яровых. Выводы. Электромагнитное поле влияет на уровень засухоустойчивости озимых и яровых злаков. Положительный эффект электромагнитного поля СВЧ, проявляющийся в увеличении относительной засухоустойчивости злаков, более выражен для яровых культур. Наиболее существенное повышение относительной засухоустойчивости при СВЧ-обработке зарегистрировано для семян ярового ячменя сорта Сибиряк.

Ключевые слова: электромагнитное поле сверхвысокой частоты, СВЧ, засухоустойчивость, стимулирующий эффект, пшеница, ячмень, овес, тритикале, рожь

Abstract

The effect of microwave treatment on the relative drought resistance of spring and winter cereals

O.M. Soboleva, E.P. Kondratenko

Background. Increasing the drought resistance of the main food crops in the face of increasing climate and weather changes on the planet is one of the most urgent tasks facing scientists. The need to find new effective, inexpensive, safe methods led to the appearance of this work. The purpose of the research is to determine the nature of the effect of microwave treatment on the drought resistance of spring and winter cereals. Materials and methods. The relative drought resistance was determined by the method of germination of seeds in a solution of osmotic (sucrose). The research objects were the seeds of spring wheat varieties Novosibirskaya 31, spring barley varieties Sibiryak, spring oat varieties Kreol, winter rye varieties Petrovna, soft winter wheat varieties Moscowskaya 56, winter triticale varieties Omskaya. The experimental scheme included 8 variants combining different concentrations of sucrose solutions(1.4, 7.4, 16.6 %) and microwave processing (magnetron frequency 2.45 GHz, power 0.42 W, exposure 11 sec.). The control was a variant with distilled water, without microwave treatment. The seeds were germinated at a temperature of 21 °C for seven days. On the seventh day, seed germination was determined and expressed as a percentage of the control. Results. The presence of increased osmotic pressure during the germination of cereal seeds (without microwave treatment) leads to a decrease in the number of seedlings. An increase in the concentration of sucrose in the solution reduces the number of sprouted viable seeds. However, the degree of this decrease is more pronounced in spring crops. The effect of high osmotic pressure on germinating seeds (without preliminary microwave treatment) leads to the fact that all the studied winter cereals belong to the group with medium drought resistance, spring cereals - to the group of weakly resistant ones. Preliminary microwave treatment of seeds significantly increases the drought resistance of cereal seedlings, which is especially pronounced in spring crops. Conclusions. The electromagnetic field has a positive effect on the level of drought resistance of winter and spring cereals. The stimulating effect of the microwave EMF is more intense in relation to spring crops - soft wheat, barley, oats, however, it also has a positive effect on the resistance to water deficiency of winter crops - rye, wheat, triticale. At the same time, the most significant increase in relative drought resistance during microwave treatment was registered for spring barley seeds of the Sibiryak variety.

Keywords: ultrahigh frequency electromagnetic field, microwave, drought resistance, stimulating effect, wheat, barley, oats, triticale, rye

Введение

Растет научный интерес к изучению абиотических стрессов растений, одним из которых является водный дефицит. Антропогенное изменение климата увеличивает частоту и продолжительность засушливых периодов по всей планете [1-2], что делает все более важным изучение реакции растений и сельскохозяйственных культур на засуху, а также способы повышения адаптивных способностей к ней. Дефицит воды относится к абиотическому стрессу [3], который ограничивает рост и продуктивность сельскохозяйственных культур, создает угрозы для глобальной продовольственной безопасности и здоровья человека [4-5]. Сельское хозяйство многих стран страдает от засухи, приводящей к снижению урожайности основных продовольственных культур более чем на 50 % и качества получаемой продукции [6-7], особенно в засушливых и полузасушливых регионах [8-9]. По прогнозам ученых, в мировом масштабе потери урожая от засухи могут составить до 30 % к 2025 г. по сравнению с текущим урожаем предыдущих лет [10]. Это заставляет вести поиск новых технологий и методов, способных нивелировать последствия водного дефицита. Точек приложения при этом может быть несколько - селекция засухоустойчивых линий и сортов, временное повышение резистентности растения к недостатку влаги или изменение свойств среды произрастания и т.д.

В настоящее время принято несколько направлений борьбы, предотвращения или минимизации последствий водного дефицита для растений. Однако по-прежнему актуальным остается поиск новых методов повышения засухоустойчивости культур, обладающих при этом простотой исполнения, высокой эффективностью, экологической безопасностью. К таким методам, возможно, стоит отнести воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ), положительное влияние которого сказывается на отдельных физиолого-биохимических показателях растений злаков [11-12]. В связи с вышесказанным поставлена цель исследования - определить характер влияния СВЧ-обработки на засухоустойчивость яровых и озимых злаков.

Материалы и методы

Относительную засухоустойчивость растений определяли по методу Н. Н. Кожушко [13] с модификациями [14]. Физиологической основой данного метода является способность семян неодинаково прорастать в растворах сахарозы разной концентрации. Подсчитывая число семян, проросших на седьмой день, в расчет берут те, что имеют развитый зародышевый корешок. Семена этой категории развивают сосущую силу, превышающую сосущую силу осмотического раствора [15]. В противном случае прорастания не происходит.

В качестве объектов использовали семена репродукции 2019 г. следующих культур: яровой мягкой пшеницы сорта Новосибирская 31, ярового ячменя сорта Сибиряк, ярового овса сорта Креол, озимой ржи сорта Петровна, озимой мягкой пшеницы сорта Московская 56, озимой тритикале сорта Омская. Схема эксперимента включала в себя восемь вариантов: 1) контроль, без СВЧ-обработки, дистиллированная вода; 2) СВЧ-обработка, дистиллированная вода; 3) без СВЧ-обработки, р-р сахарозы 1,4 %; 4) СВЧ-обработка, р-р сахарозы 1,4 %; 5) без СВЧ-обработки, р-р сахарозы 7,4 %; 6) СВЧ-обработка, р-р сахарозы 7,4 %; 7) без СВЧ-обработки, р-р сахарозы 16,6 %; 8) СВЧ-обработка, р-р сахарозы 16,6 %.

Предварительно определили всхожесть всех культур, она составила 97,6-98,4 %. Для определения засухоустойчивости отбирали здоровые, хорошо выполненные семена, которые перед проращиванием обеззараживали в формалине (3 мл 40 % раствора на 1 л воды) в течение 3-5 мин. Половину отобранных семян обработали в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (частота магнетрона 2,45 ГГц, мощность 0,42 Вт, экспозиция 11 с). Проращивание семян (необработанных и СВЧ-обработанных) проводили в стерильных чашках Петри на фильтровальной бумаге. В опытных вариантах в чашки добавляли растворы сахарозы с концентрацией 1,4; 7,4 и 16,6 %, которые создавали повышенное осмотическое давление 3,0; 9,0 и 18,0 атм. соответственно. Сразу после приготовления раствор сахарозы кипятили в течение 5 мин, после охлаждения для предотвращения развития плесневых грибов и бактерий добавляли в него 2-3 капли формалина на 1 л. Семена культуры раскладывали по 30 шт. в чашку Петри. В каждую чашку наливали по 5 мл раствора сахарозы (опыт), в контрольном варианте наливали 5 мл дистиллированной воды. Семена проращивали при температуре 21 °С в течение семи суток. На седьмые сутки определяли прорастание семян, для чего подсчитывали все проросшие семена, имеющие заметный зародышевый корень. Находили процентное отношение семян, проросших в растворе осмотика соответствующей концентрации, к контрольным значениям всхожести.

Все измерения проведены в трехкратной аналитической повторности; в таблицах приведены средние и ошибка среднего. Достоверность отличий по сравнению с контролем находили по F-критерию при уровне значимости p < 0,05 (в таблицах достоверные различия обозначены знаком *).

Результаты и обсуждение

Изучение относительной засухоустойчивости яровых и озимых злаков показало, что данный признак обладает сортоспецифичностью (табл. 1). Так, относительно контрольного варианта (проращивание с дистиллированной водой и без СВЧ-обработки) количество проросших семян при осмотическом давлении 3 атм. колеблется от 90,5 % для семян яровой пшеницы, до 96,2 % для семян озимой пшеницы. В среднем все изучаемые в работе озимые злаки демонстрируют несколько более высокую всхожесть при данной концентрации осмотика: 94,7 против 91,6 % для яровых. Это свидетельствует о более высокой засухоустойчивости озимых культур при относительно невысоком дефиците влаги - при прочих равных условиях изучаемые сорта озимых ржи, тритикале и пшеницы лучше противостоят небольшому осмотическому стрессу, чем яровые пшеница, ячмень и овес. При воздействии ЭМП СВЧ среднее число проросших семян у яровых и озимых культур становятся практически одинаковым: 95,7 и 95,5 %, соответственно. Таким образом, влияние ЭМП СВЧ практически уравнивает относительную засухоустойчивость исследуемых сортов злаков при невысоком уровне водного дефицита.

Как и ожидалось, увеличение концентрации сахарозы в растворе для проращивания семян негативно сказывается на прорастании последних - у всех культур отмечается одинаковая тенденция к существенному снижению числа жизнеспособных семян к седьмому дню прорастания. Однако степень этого уменьшения у разных групп злаков различна. Так, для озимых культур при осмотическом давлении 18 атм. характерно снижение количества всхожих семян относительно нормальных условий прорастания примерно наполовину - количество проросших семян составляет от 47,3 до 51,7 % (в среднем, для всех трех культур показатель равен 49,5 %). Однако для яровых злаков эти значения более существенны и составляют в среднем 26,4 %, т.е. в 1,9 раза меньше по сравнению с озимыми. Этот факт может объясняться тем, что озимым культурам в начале вегетационного периода нередко приходится прорастать в более неблагоприятных условиях недостаточного увлажнения, в то время как посев яровых чаще производится в сроки, когда запас весенней влаги в почвах еще достаточен. Таким образом, озимые, видимо, изначально более приспособлены к дефициту воды на первых этапах развития проростка. Это дает им возможность нарастить необходимую вегетативную массу и лучше подготовиться к зимнему периоду.

Таблица 1 Относительная засухоустойчивость яровых злаков, % относительно контроля

Примечание. *Различия достоверны при р < 0,05.

В результате исследований образцы изучаемых культур были разделены на пять групп по устойчивости к засухе при осмотическом давлении 18 атм. (соответствуют 16,6 % раствору сахарозы): I - неустойчивые (от 0,0 до 18,0 % проросших семян в условиях высокого осмотического давления), II - слабоустойчивые (19,0-36,0 % проросших семян), III - среднеустойчивые (37,0-54,0 % проросших семян), IV- с устойчивостью выше средней (55,0-72,0 % проросших семян), V - высокоустойчивые (73,0 % и более проросших семян). У зерновых злаков не обнаружено сортов, относящихся к первой или пятой группе. Таким образом, среди изучаемых сортов отсутствуют как неустойчивые, так и высокоустойчивые к засухе сортотипы.

Действие высокого осмотического давления на прорастающие семена (без предварительной СВЧ-обработки) указывает на то, что все изучаемые озимые хлебные злаки относятся к третьей группе со средней засухоустойчивостью, яровые - ко второй группе слабоустойчивых.

Проведенная обработка семян в электромагнитном поле сверхвысокой частоты показывает, что данный физический фактор способен существенно повысить засухоустойчивость проростков злаков. Данная тенденция отмечена для всех культур, однако ярче выражена у яровых. Так, при сравнении количества проросших семян при давлении 3 атм. и СВЧ-обработке относительно числа проростков при том же давлении, но без СВЧ-обработки в среднем по всем сортам яровых злаковых отмечена разница в 4,5 %, в то время как для озимых это отличие составляет только 0,8 %. Однако для давления 18 атм. подобные соотношения более значительны и составляют, соответственно, 2,0 раза для яровых и 14,1 % для озимых. Таким образом, яровые демонстрируют более сильный положительный отклик на действие электромагнитного поля, чем озимые культуры.

Более высокий процент проросших семян отражает способность сорта использовать скудные запасы влаги в почве, что говорит о его засухоустойчивости в начальные стадии развития [15]. Таким образом, определение относительной засухоустойчивости при использовании повышенного осмотического давления может сориентировать исследователя и товаропроизводителя о более вероятном поведении злаков тех или иных сортов в реальных полевых условиях. Это выражается и в категориях относительной засухоустойчивости. Так, после СВЧ-обработки четыре из шести изучаемых сортов перешли в группу с устойчивостью выше средней. При этом наиболее резкое повышение относительной засухоустойчивости при СВЧ-обработке зарегистрировано для семян ярового ячменя - число проросших семян при 18 атм. увеличилось в 2,3 раза относительно необработанных, но развивающихся при тех же значениях концентрации осмотика. В связи с этим у семян ячменя сорта Сибиряк поменялась группа засухоустойчивости со второй на четвертую.

Для яровой пшеницы и ярового овса под действием ЭМП СВЧ зафиксирован переход в другую группу - из второй в третью, с повышением устойчивости до уровня «среднеустойчивых». Полученные нами данные подтверждают мнение о том, что засухоустойчивые генотипы проявляют способность к осмотической настройке [16]. Видимо, в нашем опыте мы столкнулись именно с этим процессом, спровоцированным непосредственным действием электромагнитного поля. Механизмы такого явления могут быть объяснены с позиций непосредственного влияния данного физического фактора на целый комплекс жизненно важных веществ зерновки: белковых молекул (в том числе, несомненно, и ферментов), аминокислот, жирных кислот и оксилипинов, многие из которых выступают в качестве сигнальных молекул или играют ключевые роли в реакциях метаболизма растений.

Заключение

Электромагнитное поле оказывает положительное действие на уровень засухоустойчивости озимых и яровых злаков. Стимулирующий эффект ЭМП СВЧ более интенсивно проявляется в отношении яровых культур - мягкой пшеницы, ячменя, овса, однако и на устойчивость к водному дефициту озимых - ржи, пшеницы, тритикале - действует положительно. При этом наиболее существенное повышение относительной засухоустойчивости при СВЧ-обработке зарегистрировано для семян ярового ячменя сорта Сибиряк.

засухоустойчивость яровой озимый проращивание

Список литературы

1. Yuan W., Zheng Y., Piao S. [et al.]. Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth // Sci. Adv. 2019. № 5.

2. Zhou S., Zhang Y., Park Williams A., Gentine P. Projected increases in intensity, frequency, and terrestrial carbon costs of compound drought and aridity events // Sci. Adv. 2019. № 5.

3. FAO. Proactive Approaches to Drought Preparedness - where Are We Now and where Do We Go from Here? Rome, 2019. 51 s.

4. Nxele X., Klein A., Ndimba B. K. Drought and salinity stress alters ROS accumulation, water retention, and osmolyte content in sorghum plants // South African Journal of Botany. 2017. Т. 108. P. 261-266.

5. Ghadyeh-Zarrinabadi I., Razmjoo J., Mashhadi A. A., Boroomand A. Physiological response and productivity of pot marigold (Calendula officinalis) genotypes under water deficit // Ind. Crops Prod. 2019. № 139.

6. Wang L., Qu J. J. NMDI: A normalized multi-band drought index for monitoring soil and vegetation moisture with satellite remote sensing // Geophysical Research Letters. 2007. Т. 34, № 20.

7. Fouad H. Physiological traits and drought tolerance indices in advanced genotypes of bread wheat (Triticum aestivum L.) // Egyptian Journal of Agronomy. 2018. Т. 40, № 2.Р. 145-154.

8. Rajala A. [et al.]. Spring wheat response to timing of water deficit through sink and grain filling capacity // Field Crops Research. 2009. Т. 114, № 2. Р. 263-271.

9. Shiri M. [et al.]. The survey of the morphological and physiological basis of maize grain yield under drought stress condition through path analysis // Technical Journal of Engineering and Applied Sciences. 2013. Т. 3, № 24. Р. 3647-3651.

10. Zhang J. China's success in increasing per capita food production // Exp. Bot. 2011. Vol. 62. P. 3707-3711.

11. Соболева О. М. Экологическая оценка действия электромагнитного поля на семена озимых злаков // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31, № 11. С. 47-49.

12. Пушкина Н. В. Особенности накопления жирных кислот и оксилипинов в проростках Zeamaize L. под влиянием электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона // Химия растительного сырья. 2020. № 2. С. 93-99.

13. Кожушко Н. Н. Оценка засухоустойчивости полевых культур // Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям : метод. руководство. Л. : ВИР, 1988. С. 10-24.

14. Парфенова Е. С., Шамова М. Г., Набатова Н. А., Псарева Е. А. Оценка относительной засухоустойчивости сортов озимой ржи способом проращивания на растворе сахарозы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 11. С. 347-351.

15. Ионова Е. В., Некрасов Е. И. Физиологические методы оценки засухоустойчивости сортов и линий озимой пшеницы // Зерновое хозяйство России. 2013. № 5. С. 12-21.

16. Бычкова О. В., Хлебова Л. П., Совриков А. Б., Титова А. М. Реакция генотипов яровой твердой пшеницы в условиях моделированного осмотического и солевого стресса // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2018. № 2. С. 5-11.

References

1. Yuan W., Zheng Y., Piao S. [et al.]. Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth. Sci. Adv. 2019;(5).

2. Zhou S., Zhang Y., Park Williams A., Gentine P. Projected increases in intensity, frequency, and terrestrial carbon costs of compound drought and aridity events. Sci. Adv. 2019;(5). doi:10.1126/sciadv.aau5740

3. FAO. Proactive Approaches to Drought Preparedness - where Are We Now and where Do We Go from Here? Rome, 2019:51.

4. Nxele X., Klein A., Ndimba B.K. Drought and salinity stress alters ROS accumulation, water retention, and osmolyte content in sorghum plants. South African Journal of Botany. 2017;108:261-266.

5. Ghadyeh-Zarrinabadi I., Razmjoo J., Mashhadi A.A., Boroomand A. Physiological response and productivity of pot marigold (Calendula officinalis) genotypes under water deficit. Ind. Crops Prod. 2019;(139).

6. Wang L., Qu J.J. NMDI: A normalized multi-band drought index for monitoring soil and vegetation moisture with satellite remote sensing. Geophysical Research Letters. 2007;34(20).

7. Fouad H. Physiological traits and drought tolerance indices in advanced genotypes of bread wheat (Triticum aestivum L.). Egyptian Journal of Agronomy. 2018;40(2): 145-154.

8. Rajala A. [et al.]. Spring wheat response to timing of water deficit through sink and grain filling capacity. Field Crops Research. 2009;114(2):263-271.

9. Shiri M. [et al.]. The survey of the morphological and physiological basis of maize grain yield under drought stress condition through path analysis. Technical Journal of Engineering and Applied Sciences. 2013;3(24):3647-3651.

10. Zhang J. China's success in increasing per capita food production. Exp. Bot. 2011;62: 3707-3711.

11. Soboleva O.M. Ecological assessment of the electromagnetic field's effect on the seeds of winter cereals. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of science and technology in agro-industrial complex. 2017;31(11):47-49. (In Russ.)

12. Pushkina N.V. Features of the accumulation of fatty acids and oxylipins in seedlings Zeamaize L. under the effect of the microwave electromagnetic field. Khimiya rasti- tel'nogo syr'ya = Chemistry of plant raw materials. 2020;(2):93-99. (In Russ.).

13. Kozhushko N.N. Assessment of drought tolerance of field crops. Diagnostika ustoychi- vosti rasteniy k stressovym vozdeystviyam: metod. rukovodstvo = Diagnostics of plant resistance to stress: methodological allowance. Leningrad: VIR, 1988:10-24. (In Russ.)

14. Parfenova E.S., Shamova M.G., Nabatova N.A., Psareva E.A. Evaluation of the relative drought resistance of winter rye varieties by germination on sucrose solution. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy = International journal of applied and basic research. 2018;(11):347-351. (In Russ.)

15. Ionova E.V., Nekrasov E.I. Physiological methods for assessing drought resistance of varieties and lines of winter wheat. Zernovoe khozyaystvo Rossii = Grain farming in Russia. 2013;(5): 12-21. (In Russ.)

16. Bychkova O.V., Khlebova L.P., Sovrikov A.B., Titova A.M. Response of spring durum wheat genotypes under simulated osmotic and salt stress. Vestnik Altayskogo gosu- darstvennogo agrarnogo universiteta = Bulletin of Altay StateAgrarian University. 2018;(2):5-11. (In Russ.)

Размещено на Allbest.ru