Влияние микроэлементов на формирование проростков ячменя в условиях оптимального и недостаточного увлажнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние микроэлементов на формирование проростков ячменя в условиях оптимального и недостаточного увлажнения

А.А. Неверов,

А.С. Верещагина

Анотація

Актуальность. Недостаточное и неустойчивое увлажнение верхнего посевного слоя почвы в степных районах Оренбуржья и аналогичных ему регионах способствует поиску приёмов повышения жизнеспособности семян в условиях водного дефицита. Объект. Объектом исследования являются водные растворы сульфатов железа и магния. Материалы и методы. В статье показаны результаты обработки семян ячменя сорта Губернаторский водными растворами сульфатов железа и магния 1 %-ной концентрации по действующему веществу в условиях оптимального и недостаточного увлажнения. В лабораторных условиях проводили проращивание семян ячменя на бумаге при постоянной температуре 24 ^оС в течение 4-х суток. В состав солей входили двухвалентные катионы металлов: железа и магния в форме кристаллогидратов. На проростках ячменя определяли их всхожесть, количество зародышевых корешков, длину каждого корешка, длину ростка в четырёхкратном повторении. Результаты и выводы. Лабораторные исследования показали, что обработка семян ячменя оказала положительное влияние на формирование проростков ячменя как в условиях оптимального увлажнения, так и в условиях водного дефицита. В отсутствие засухи микроэлементы Fe и Mg стимулировали формирование большего числа корешков относительно контроля. В условиях недостаточного увлажнения Fe и Mg стимулировали в большей степени скорость линейного роста зародышевых корешков. Железо и магний существенно влияли на увеличение линейных размеров ростка - на 0,5-0,6 см больше контрольных показателей, равных 4,8 см. ячмень сорт обработка

Ключевые слова: ячмень, семена ячменя, проростки ячменя, полиэтиленгликоль (ПЭГ 6000).

THE INFLUENCE OF MICROELEMENTS ON THE FORMATION OF BARLEY SEEDS IN CONDITIONS OF OPTIMAL AND INSUFFICIENT MOISTURE

A.A. Neverov¹, A.S. Vereshchagina¹

Abstract

Introduction. Insufficient and unstable moistening of the upper sown soil layer in the steppe regions of Orenburg region and similar regions contribute to the search for methods to increase the viability of seeds in conditions of water scarcity. Object. The object of the study is aqueous solutions of iron and magnesium sulfates. Materials and methods. The article shows the results of processing barley seeds of the Gubernatorial variety with aqueous solutions of iron and magnesium sulfates of 1% concentration according to the active substance in conditions of optimal and insufficient moisture. In laboratory conditions, germination of barley seeds on paper was carried out at a constant temperature of 24 ° C for 4 days. The composition of the salts included divalent metal cations: iron and magnesium in the form of crystallohydrates. On barley seedlings, their germination, the number of germinal roots, the length of each root, and the length of the sprout were determined in fourfold repetition. Results and conclusions. Laboratory studies have shown that the treatment of barley seeds had a positive effect on the formation of barley seedlings, both in conditions of optimal moisture and in conditions of water scarcity. In the absence of drought, trace elements Fe and Mg stimulated the formation of a larger number of roots relative to the control. Under conditions of insufficient moisture, Fe and Mg stimulated to a greater extent the rate of linear growth of germinal roots. Iron and magnesium significantly influenced the increase in the linear size of the sprout - by 0.5-0.6 cm more than the control indicators equal to 4.8 cm.

Keywords: barley, seeds, trace elements, iron, magnesium, polyethylene glycol (6000).

Введение

В разных источниках информации [2, 3, 5-7, 13] приводятся сведения о существенном положительном влиянии различных металлов на метаболизм растений. Металлы, входящие в состав металлопротеинов и коферментов, в растительных клетках стимулируют устойчивость растений к экстремальным условиям на разных стадиях их развития.

Автор (Cakmak I., 2008) [10] в условиях водного дефицита приравнивает микроэлементы, содержащиеся в семенах, к стартовым удобрениям по их значимости стимулирования ростовых процессов на разных уровнях минерального питания.

Чернозёмы южные карбонатные, а также темно-каштановые почвы, преобладающие в степной зоне Оренбуржья, характеризуются дефицитом доступных для растений форм микроэлементов. Железо и магний - наиболее распространенные элементы в почве, однако в условиях щелочной среды (рН =7,5-9,0) и недостаточного увлажнения становятся труднодоступными для зерновых культур по причине низкой растворимости, что в итоге негативно отражается на множестве процессов, протекающих в растительной клетке: синтезе ДНК, дыхании, фотосинтезе.

Установлено [14], что для двухвалентных катионов (Zn ²+, Cu ²⁺, Mn ²⁺, Fe ²⁺) растворимость уменьшается в сто раз на каждую единицу увеличения pH. Среди зерновых культур, наиболее требовательных к наличию микроэлементов в почве, максимальные концентрации обнаружены либо в ячмене (K, Mg, P, Cu, As), либо в овсе (Ca, S, Fe, Mn, Zn и Pb).

Известно [11, 12], что дефицит железа приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшению питания растений, ослабляется рост корневой системы.

Магний - наиболее распространенный после калия элемент в живых клетках растений. Его большая часть содержится в вакуолях. Магний используется растениями для синтеза хлорофилла, его концентрация может меняться в зависимости от освещённости листьев. Магний входит в состав молекулы хлорофилла и принимает непосредственное участие в фотосинтезе. Он участвует в передвижении фосфора в растениях, активизирует ферменты, ускоряет образование углеводов. Также является строительным элементом, входит в состав рибосом.

При дефиците магния нарушается белковый обмен у растений вследствие слабого функционирования ферментного синтеза, также ограничивается ассимиляционная и синтетическая деятельность растений. Магний влияет на динамику роста корневой системы и усвоение питательных элементов из почвы, особенно азота.

Установлено, что семена тыквы, полученные из плодов растений с высоким содержанием магния, имели высокую энергию роста, обеспечивали раннее появление всходов и лучшее формирование проростков по сравнению с семенами, собранными из растений с дефицитом Mg [15].

В наших ранних исследованиях [6] обработка семян нута 1 %-ным раствором сульфата магния продемонстрировала заметный стимулирующий эффект: увеличение массы ростков на 60,9 % и корешков - на 83,9 %. В работе [7] достоверно установлено, что ионы Fe и Mg оказывают существенное положительное влияние на рост и развитие корневой системы и ростков ячменя. Наибольший положительный эффект на формирование проростков ячменя оказали ионы железа.

В наших исследованиях поставлена цель - изучить стимулирующее влияние обработки семян ячменя сульфатами железа и магния в условиях оптимального и недостаточного увлажнения.

Материалы и методы. Объектом исследования являются водные растворы сульфатов железа и магния 1,0%-ной концентрации, которыми обрабатывались семена сорта ячменя Губернаторский.

Сульфат железа FeSO₄-7H2O (железный купорос), неорганическое соединение, железная соль серной кислоты. Сульфат железа (II) хорошо растворим в воде (26,3 г при 20 °С). Из водных растворов кристаллизуется голубовато-зелёный гептагидрат FeSO₄-7H₂0. Молярная масса 278 г/моль.

Сульфат магния MgSO₄-7H₂O (эпсомит) - порошок белого цвета. (Производитель - Южно-Уральский завод магниевых соединений. г. Кувандык Оренбургской области), белый кристаллический порошок, растворимый в воде. Молярная масса 24+32+16-4+7- (2-1+16) = 246 г/моль.

Расчёт количества препарата для обработки семян проводился по действующему веществу. Действующее вещество - сульфат металла.

На примере сульфата магния MgSO₄ (120 гмоль^-1) с содержанием в препарате - 120/246 = 48,8 %.

Расход рабочего раствора для обработки 1 т семян сельскохозяйственных культур - 10 л. Расход сульфата магния семиводного (препарата) на 1 т семян при 1 %-ной концентрации водного раствора - 205 г.

Для приготовления 100 мл: 1 %-ного раствора сульфата магния требуется 2,05 г семиводного сульфата магния.

Для обработки 1000 г семян использовалось 10 мл водного раствора указанных концентраций препарата с экспозицией 1 сутки.

Обработка семян проводилась в стерильных пакетах. Проращивание - на фильтровальной бумаге, в темноте при постоянной температуре 24 ^оС в четырехкратном повторении, по 40 шт. семян в каждом повторении. День закладки семян на проращивание и день съёма семян считался за одни сутки. Проращивание проводилось в течение 4 суток. Для контроля использовались семена, обработанные водой из расчёта 10 л воды на 1 т семян.

Условия искусственной засухи моделировались с помощью препарата полиэтиленгликоль (ПЭГ 6000) с молярной массой 6000 гмоль^-1. Раствор готовился из расчёта 100 г препарата на 1 л воды (осмотическое давление 0,15 МПа). Водным раствором ПЭГ 6000 увлажнялась фильтровальная бумага, что вызывало водный дефицит в период прорастания семян ячменя. Методика описана в работе авторов [4].

Схема эксперимента. Семена ячменя в лабораторных условиях обрабатывали 1 %-ными водными растворами сульфатов металлов из расчёта 10 л рабочего раствора на 1 т семян. Количество вариантов - 6.

1. Контроль (10 л воды на 1 т семян).

2. FeSO4.

3. MgSO4.

4. Контроль + ПЭГ 6000.

5. FeSO4 + ПЭГ 6000.

6. MgSO4 + ПЭГ 6000.

Дисперсионный анализ с вычислением наименьшей существенной разности (НСР ₀₅) проводился в авторской программе по методике Б.А. Доспехова. Регрессионный анализ - в программе NCSS and PASS 2000 (USA).

Результаты и обсуждение. Обработка семян ячменя водными растворами сернокислых солей железа и магния существенного влияния на лабораторную всхожесть семян не оказала (таблица 1).

Таблица 1 - Лабораторная всхожесть семян ячменя

Всхожесть семян варьировала от 95 % до 99 % по вариантам опыта. Существенное негативное влияние (-3 %) на данный параметр оказало применение препарата ПЭГ 6000 для моделирования водного дефицита без обработки микроэлементами семян, а также в варианте сочетания MgSO₄ и ПЭГ 6000.

Несущественно улучшилась всхожесть семян - на 1% - от обработки железосодержащим препаратом в условиях оптимального увлажнения.

Число зародышевых корешков у 4-х дневных проростков ячменя по вариантам опыта изменялось незначительно - 4,6-4,9 шт (таблица 2).

Таблица 2 - Особенности формирования корневой системы у 4-х дневных проростков ячменя

В вариантах с оптимальным увлажнением ионы железа и магния не оказали существенного влияния на их численность относительно контроля. Обезвоживание (ПЭГ 6000) уменьшило на 0,2 шт. корешка против контроля - 4,8 шт. Железо и магний в условиях водного дефицита увеличили этот показатель до 4,8 и 4,9 шт. соответственно.

Средняя длина одного корешка во всех вариантах отличалась от контрольной, равной 6,4 см. Железо и магний в условиях отсутствия дефицита воды способствовали увеличению средней длины корешка до 6,7 см в обоих вариантах. Резко отрицательное влияние на длину корешка оказал водный дефицит (ПЭГ 6000), в котором линейные размеры корешка уменьшились существенно до 4,8 см. В условиях водного дефицита размеры корешков под влиянием препаратов железа и магния выросли до 5,4 и 5,5 см соответственно.

Суммарная длина зародышевых корешков проростков в большей степени зависела от их линейных размеров, чем от их числа. По опыту общая длина корешков варьировала от 21,7 см (ПЭГ 6000) до 32,5 см (MgSO₄) при среднем значении, равном 28,2 см. Лучшие результаты по линейному приросту корневой системы ячменя на 4-е сутки показал вариант с обработкой семян сульфатом магния: 32,5 см в условиях оптимального увлажнения против 30,8 см на контроле и 26,7 см против 21,7 см в условиях водного дефицита.

Суммарная длина зародышевых корешков 4-х дневных проростков ячменя определяется двумя показателями: количеством корешков и средней длиной корешка. Проведённый статистический регрессионный анализ показал, что в условиях оптимального увлажнения на контроле соотношение доли влияния этих факторов оценивалось как 25,1 % и 74,1 % соответственно, что детерминировало 99,2 % общей длины корешков проростка (таблица 3).

Таблица 3 - Доля факторов в суммарной длине зародышевых корешков ячменя в условиях недостаточного и оптимального увлажнения

Обработка семян растворами сульфатов железа и магния изменило это соотношение в сторону увеличения доли числа корешков в формировании их суммарной длины в обоих случаях до 39 % и 49,9 % соответственно. В отсутствии засухи микроэлементы Fe и Mg стимулировали формирование большего числа корешков относительно контроля.

Моделирование искусственной засухи с помощью препарата ПЭГ 6000 показало, что соотношение доли данных показателей в детерминации суммарной длины корешков проростка ячменя в контрольном варианте практически оставалось неизменным: 25,3 % - от числа корешков и 72,3 % - от средней длины одного корешка. Однако обработка семян микроэлементами существенно поменяла иерархию факторов, усилив в обоих случаев значение длины корня: до 85-85,5 %. Таким образом, в условиях недостаточного увлажнения микроэлементы Fe и Mg стимулировали в большей степени скорость линейного роста зародышевых корешков, видимо, как проявление защитной реакции от водного стресса.

В различных вариантах опыта длина ростка варьировала от 3,6 см до 5,4 см при среднем значении 4,5 см и 4,8 см на контроле (таблица 4).

Таблица 4 - Влияние обработки семян микроэлементами на формирование ростков ячменя

В условиях оптимального обеспечения семян водой препараты железа и магния оказали существенное влияние на увеличение линейных размеров ростка - на 0,5-0,6 см больше контрольных показателей. При водном дефиците (ПЭГ 6000) длина ростка значительно уменьшилась - на 1,2 см - против контроля. В моделируемых условиях засухи ионы железа и магния в некоторой степени компенсировали негативное влияние водного стресса на формирование ростков у ячменя. По сравнению с вариантом (ПЭГ 6000) длина ростка в вариантах FeSO₄ + ПЭГ 6000 и MgSO₄ + ПЭГ 6000 увеличилась с 3,6 см до 3,8 и 4,0 см соответственно. Наибольший стимулирующий эффект также продемонстрировал 1 %-ный раствор сульфата магния.

На вопрос: связано ли стимулирующее влияние сульфата железа и магния на развитие проростков ячменя с концентрацией этих элементов в зерне может дать некоторое представление химический анализ опытного образца в сравнении с диапазоном концентраций минеральных элементов питания, известных по данным литературных источников (таблица 5).

Таблица 5 - Содержание магния и железа в зерне ячменя сорта Губернаторский в сравнении с диапазоном концентраций по данным разных источников литературы

По разным данным [1, 8, 9] содержание магния и железа в зерне ячменя варьирует в широких пределах: от 230 до 1200 мг/кг магния (Mg) и 17-120 мг/кг - железа (Fe). В опытном образце ячменя сорта Губернаторский отмечено высокое содержание магния - 1000 мг/кг и ниже среднего - содержание железа - 38 мг/кг. Однако, несмотря на достаточно высокое содержание магния в зерне, обработка семян 1 %-ным раствором сульфата магния показало наилучшие результаты в эксперименте. Очевидной связи эффективности применяемого металла с его содержанием в семени ячменя не обнаружено.

Выводы

Обработка семян 1 %-ными водными растворами сульфата железа и магния не оказала существенного влияния на лабораторную всхожесть семян ячменя.

Железо и магний оказали положительное влияние на формирование проростков ячменя как в условиях оптимального увлажнения, так и в условиях водного дефицита.

Железо и магний в условиях отсутствия дефицита воды способствовали увеличению средней длины корешка до 6,7 см в обоих вариантах против 6,4 см на контроле. Резко отрицательное влияние на длину корешка оказал водный дефицит (ПЭГ 6000), в котором линейные размеры корешка уменьшились существенно до 4,8 см. В условиях водного дефицита размеры корешков под влиянием препаратов железа и магния выросли до 5,4 и 5,5 см соответственно.

В отсутствии засухи микроэлементы Fe и Mg стимулировали формирование большего числа корешков относительно контроля. В условиях недостаточного увлажнения Fe и Mg стимулировали в большей степени скорость линейного роста зародышевых корешков видимо как проявление защитной реакции от водного стресса.

Железо и магний существенно влияли на увеличение линейных размеров ростка - на 0,5-0,6 см больше контрольных показателей, равных 4,8 см.

Библиографический список