ОЦЕНКА ЭФФЕКТА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ (Triticum aestivum L.) В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
ОЦЕНКА ЭФФЕКТА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ (Triticum aestivum L.) В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация
Проведено изучение изменчивости морфофизиологических признаков растений яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) сортов Тюменская 25 и Шортандинская 95 улучшенная под влиянием биопрепаратов АФГ, АФГ-В, Бисолбисан, Бисолбифит, Экстрасол, Альбит, Цитогумат и Штаммы (бактерии родов Bacillus simplex 948 Р-1 TS и Bacillus megaterium 312 TS). Выращивание растений выполнено в вегетационных сосудах на фитостеллаже при температуре 22-24°С, освещении 5 тыс. люкс, фотопериод: день – 16 часов, ночь – 8 часов, повторность опыта трехкратная. Выявлен стимулирующий эффект биопрепаратов на прорастание семян, длину побега и корней, содержание хлорофилла в листьях. Ответная реакция сортов на предпосевную обработку семян была неоднозначной, наибольший эффект получен у сорта Шортандинская 95 улучшенная.
1. Введение
Среди многих приемов, улучшающих адаптацию сельскохозяйственных растений к воздействию стресс-факторов, в последнее время широко используются методы инокуляции семян биологическими препаратами. Связанно это с тем, что химические средства защиты растений от болезней и вредителей рассматриваются как один из основных приемов подготовки семян к посеву. Вместе с тем хорошо известно их негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека из-за высокой токсичности, а также способности накапливаться в растительной продукции, воде, атмосферном воздухе и почве .
Получены положительные результаты по применению микроорганизмов рода Bacillus spp. на пшенице, обеспечивающих повышение устойчивости растений к засухе за счет позитивного моделирования процессов метаболизма, изменения архитектуры корневой системы, улучшения доступности и усвояемости элементов минерального питания .
Для понимания механизма действия препаратов, подбора соответствующей концентрации и технологии обработки семян к числу перспективных методов относят лабораторные эксперименты. Изучение ростовых процессов на начальных этапах онтогенеза растений в контролируемых условиях по изменчивости морфофизиологических параметров дает возможность минимизировать влияние факторов окружающей среды .
2. Методы и принципы исследования
Работа выполнена в Институте биологии Тюменского государственного университета в лаборатории биотехнологических и микробиологических исследований. Объект исследования – сорта яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) Тюменская 25 и Шортандинская 95 улучшенная.
Предпосевная обработка семян проводилась с использованием восьми биопрепаратов: АФГ, АФГ-В, Экстрасол, Альбит, Бисолбифит, Бисолбисан, Цитогумат, Консорциум штаммов Bacillus simplex 948 Р-1 TS и Bacillus megaterium 312 TS.
В соответствии с рекомендациями производителей биопрепараты АФГ, АФГ-В, Цитогумат и Штаммы растворяли в соотношении 20 мл препарата на 80 мл дистиллированной воды, Альбит, Бисолбисан и Экстрасол – в соотношении 80 мл препарата на 20 мл воды, Бисолбифит – 0,5 г порошка на 100 мл воды. Семена в течение 3 часов выдерживали в растворах биопрепаратов, контроль – в дистиллированной воде.
Посев семян и выращивание растений яровой пшеницы выполнены в вегетационных сосудах из инертного материала, емкостью 1,4 л, заполненных универсальным почвенным грунтом из расчета 300 г на сосуд.
В каждый сосуд высевали по 20 семян на глубину 2 см, в трехкратной повторности. Сосуды размещали рандомизировано на фитостеллаже. В период проведения эксперимента поддерживалась температура 22-24°С, освещенность 5 тыс. люкс, фотопериод из расчета 16 часов – день, 8 часов – ночь. Продолжительность эксперимента составила 10 суток; на 3, 5 и 7 сутки в каждый вегетационный сосуд вносили 80 мл дистиллированной воды для поддержания оптимальной влажности почвенного субстрата.
Для комплексной оценки эффективности каждого биопрепарата ежедневно проводили наблюдения за ростом и развитием растений пшеницы с учетом следующих морфофизиологических признаков: всхожесть семян, длина побега и корней, число корней и листьев, динамика накопления хлорофилла в листьях, сырая масса надземной части и корней растений.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по стандартным методикам. Рассчитаны: средняя арифметическая (Хср.), стандартная ошибка средней арифметической (Sx), коэффициент вариации (CV, %), достоверность различий между вариантами по критерию Стьюдента , .
3. Основные результаты
![Сравнение сортов яровой пшеницы по динамике всхожести семян в контроле и опытных вариантах](/media/images/2023-03-07/3b7313a1-54c5-4a72-be4e-1c2d348fd990.png)
Рисунок 1 - Сравнение сортов яровой пшеницы по динамике всхожести семян в контроле и опытных вариантах
Примечание: различия достоверны на уровне P ≥ 0,05: * – при сравнении контроля и вариантов с биопрепаратами; ▲ - при сравнении между сортами
При рассмотрении сорта Шортандинская 95 отмечено положительное влияние биопрепаратов на количество нормально проросших семян на 3 сутки, среди которых достоверное отличие от контроля (выше на 20-23%) было в опытных вариантах АФГ-В, Экстрасол, Штаммы. При этом стоит отметить, что исследуемый показатель на 10 сутки был на уровне контроля.
Сравнение двух сортов по всхожести семян показало, что применение биопрепаратов привело к повышению процента проросших семян у сорта Шортандинская 95. Достоверное отличие зафиксировано в вариантах с АФГ-В, Экстрасолом, Альбитом и Штаммами на 3 сутки. Также отмечено, что эффект от Альбита и Штаммов сохраняется на 10 сутки, что подтверждено статистически.
Морфометрические параметры оценивали на 10 сутки, для этого все растения извлекали из сосудов и выполняли необходимые промеры.
По числу зародышевых корней у сорта Тюменская 25 достоверное снижение по сравнению с контролем обнаружено в вариантах с Бисолбифитом, Экстрасолом, Альбитом и Штаммами, при этом длина корней увеличивалась под действием Экстрасола и оставалась на уровне контроля в вариантах с другими препаратами (табл. 1).
Степень изменчивости числа корней была в диапазоне от слабой (CV=6,44%, Контроль) до средней (CV=15,27%, Бисолбисан). Вариабельность признака длины корней была выражена сильнее, что подтверждено пределами коэффициента вариации от 14,03% (АФГ) до 23,29% (Бисолбисан).
Таблица 1 - Морфометрические параметры растений сорта яровой пшеницы Тюменская 25
Варианты опыта | Число корней, шт. | Длина корней, см | Длина побега, см | ||
X±mx | X±mx | X±mx | |||
5 сутки | 7 сутки | 10 сутки | |||
Контроль | 5,0 ± 0,06 | 14,0 ± 0,50 | 12,1 ± 0,56 | 18,2 ± 0,46 | 26,7 ± 0,69 |
АФГ | 4,9 ± 0,12 | 14,1 ± 0,36 | 12,4 ± 0,42 | 19,2 ± 0,28 | 24,6 ± 0,47* |
АФГ - В | 5,0 ± 0,12 | 15,2 ± 0,52 | 12,6 ± 0,46 | 19,1 ± 0,36 | 27,0 ± 0,64 |
Бисолбисан | 4,8 ± 0,13 | 15,2 ± 0,65 | 13,6 ± 0,24* | 19,0 ± 0,35 | 26,0 ± 0,79 |
Бисолбифит | 4,8 ± 0,08* | 14,3 ± 0,40 | 12,4 ± 0,44 | 18,1 ± 0,38 | 25,7 ± 0,73 |
Экстрасол | 4,6 ± 0,11* | 15,6 ± 0,60* | 12,8 ± 0,26 | 18,5 ± 0,44 | 25,9 ± 0,64 |
Альбит | 4,5 ± 0,16* | 13,9 ± 0,50 | 12,7 ± 0,38 | 18,9 ± 1,11 | 27,5 ± 0,68 |
Цитогумат | 4,9 ± 0,09 | 14,2 ± 0,47 | 12,8 ± 0,40 | 19,4 ± 0,32* | 27,4 ± 0,81 |
Штаммы | 4,7 ± 0,10* | 14,5 ± 0,44 | 11,6 ± 0,65 | 18,1 ± 0,54 | 26,3 ± 0,82 |
Примечание: * - различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05
При измерении длины побегов в разные сроки обнаружен стимулирующий эффект на 5 сутки под влиянием Бисолбисана, на 7 сутки – Цитогумата. На 10 сутки опытные варианты (исключение с препаратом АФГ) существенно не отличались от контроля. Была обнаружена средняя степень варьирования признака в контроле и всех опытных вариантах.
По числу корней растений сорта Шортандинская 95 улучшенная статистически достоверных различий между контролем и вариантами с биопрепаратами не обнаружено (табл. 2). Изменчивость признака была в диапазоне от 9,54% (Альбит, Бисолбисан) до 17,9% (Контроль). Максимальное значение коэффициента вариации в сосудах без обработки семян препаратами может косвенно свидетельствовать о неравномерном развитии растений в раннем онтогенезе.
Таблица 2 - Морфометрические параметры растений сорта Шортандинская 95
Варианты опыта | Число корней, шт. | Длина корней, см | Длина побега, см | ||
X±mx | X±mx | X±mx | |||
5 сутки | 7 сутки | 10 сутки | |||
Контроль | 4,6 ± 0,15 | 16,0 ± 0,42 | 7,3 ± 0,36 | 16,3 ± 0,37 | 24,6 ± 0,25 |
АФГ | 4,8 ± 0,10 | 16,3 ± 0,37 | 8,3 ± 0,22* | 16,4 ± 0,42 | 23,6 ± 0,43* |
АФГ - В | 4,8 ± 0,10 | 16,9 ± 0,30 | 8,7 ± 0,25* | 17,1 ± 0,33 | 25,2 ± 0,28 |
Бисолбисан | 4,8 ± 0,08 | 16,5 ± 0,52 | 8,2 ± 0,25* | 17,2 ± 0,31 | 25,0 ± 0,28 |
Бисолбифит | 4,8 ± 0,10 | 18,0 ± 0,48* | 8,6 ± 0,22* | 16,3 ± 0,49 | 24,3 ± 0,36 |
Экстрасол | 4,7 ± 0,12 | 15,9 ± 0,53 | 8,7 ± 0,26* | 16,6 ± 0,31 | 23,8 ± 0,27* |
Альбит | 4,8 ± 0,08 | 17,6 ± 0,48* | 8,7 ± 0,26* | 17,3 ± 0,21* | 24,2 ± 0,30 |
Цитогумат | 4,7 ± 0,10 | 16,4 ± 0,36 | 8,5 ± 0,24* | 16,4 ± 0,41 | 24,7 ± 0,38 |
Штаммы | 4,7 ± 0,11 | 16,8 ± 0,42 | 8,5 ± 0,28* | 16,8 ± 0,35 | 23,6 ± 0,37* |
Примечание: * - различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05
Обработка семян биопрепаратами не вызывала угнетения первичной корневой системы растений пшеницы, более того препараты Альбит и Бисолбифит способствовали достоверному увеличению длины корней. Варьирование признака более выражено в сосудах с Экстрасолом (CV=18,38%), в контроле и большинстве вариантов изменчивость средняя, АФГ-В – слабая (CV=9,84%).
Ответная реакция сорта Шортандинская 95 улучшенная на биологическую обработку семян проявилась в активном росте вегетативной части растений, что следует из результатов промера длины побегов на 5 сутки, по которой во всех сосудах с препаратами выявлено преимущество в сравнении с сосудами без обработки. Однако на 7 сутки достоверное превышение над контролем зарегистрировано только в варианте с Альбитом, на 10 сутки отмечено замедление роста побегов в высоту под влиянием АФГ, Экстрасола и Штаммов. Варьирование признака более выражено в сосудах с АФГ (CV=10,04%), в контроле и во всех остальных вариантах изменчивость слабая (от 5,63 до 8,68%).
Для более полного понимания ростовых процессов на начальных этапах онтогенеза проведен анализ относительной скорости роста растений и степени влияния исследуемых биопрепаратов на данный процесс. Потенциально это дает возможность оптимизации алгоритма использования имеющихся ресурсов в технологии выращивания растений .
Расчет показателя относительной скорости роста проводили по формуле:
где K – абсолютная скорость роста;
W2 и W1 – размеры органа в исходный и конечный моменты времени;
t2 и t1 – в сутках .
![Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Тюменская 25»](/media/images/2023-03-07/718ce8b8-0d1a-4a35-bb1c-cd73a2b6c009.png)
Рисунок 2 - Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Тюменская 25»
![Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Шортандинская 95»](/media/images/2023-03-07/87dcc5ee-8dbd-442e-9ea1-f878c04420b7.png)
Рисунок 3 - Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Шортандинская 95»
Растения сорта Шортандинская 95 улучшенная, выращенные из семян, обработанных биопрепаратами, в большинстве случаев характеризовались замедлением роста в раннем онтогенезе. Только в двух вариантах прирост за сутки был на уровне контроля – Бисолбисан (45 мм, 5-7 сутки) и Цитогумат (28 мм, 7-10 сутки). Снижение скорости роста по отношению к Контролю на 5-7 сутки составляло 4,5% (Альбит) – 13,3% (Бисолбифит) и 3,6% (АФГ-В, Бисолбифит) – 17,9% (Альбит, Штаммы).
Сравнение изученных сортов по значениям абсолютной скорости роста выявило преимущество сорта Шортандинская 95 улучшенная как в контроле, так и при обработке семян биопрепаратами.
Дополнительно к данным по изменчивости морфологических признаков ставилась задача определения физиологического состояния растений. Хлорофилл является жизненно важным компонентом растительного организма, его роль заключается в осуществлении реакции преобразования электромагнитного излучения, представленного в виде солнечного света, в свободную энергию химических связей, и активации поглотительного процесса фотонов свето-собирающими комплексами, связанными с ФС I и ФСII. Показано, что содержание хлорофилла является специфичным для листьев каждого вида и сорта растений, также отмечена зависимость динамики хлорофилла от освещения, минерального питания, возраста листьев и других факторов .
Взаимосвязь генотипа и содержания хлорофилла (a и b) позволяет использовать данный показатель как физиолого-биохимический маркер, который, согласно исследованиям на различных сельскохозяйственных культурах, в том числе на яровой пшенице, тесно коррелирует с биологическими параметрами и урожайностью .
В нашем эксперименте содержание хлорофилла в листьях растений пшеницы измеряли с помощью прибора spad 502 на 5, 7 и 10 сутки. Выявлены различия по изменению количества хлорофилла в листьях как между сортами, так и опытными вариантами (рис. 3).
У сорта Тюменская 25 количество пигмента изменялось в диапазоне от 37,7 (Штаммы) до 39,9 spad ed. (Бисолбисан) при измерении через 5 суток от начала эксперимента. На 7 сутки достоверное различие с контролем (38,5 spad ed.) отмечено только в варианте с биопрепаратом АФГ (42,3 spad ed.). На 10 сутки значения признака варьировали от 35,8 (Штаммы) до 38,4 spad ed. (Цитогумат) при контрольном значении 36,9 spad ed.
![Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Тюменская 25»](/media/images/2023-03-17/4a57cd10-fddc-4192-b54b-d90ef85bec8d.png)
Рисунок 4 - Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Тюменская 25»
Примечание: * – различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05
![Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Шортандинская 95»](/media/images/2023-03-07/8edc3c06-0556-4441-a177-ac768fc0063f.png)
Рисунок 5 - Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Шортандинская 95»
Примечание: * – различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05
Таким образом, установлено, что применение биопрепаратов статистически достоверно влияет на динамику накопления хлорофилла у сорта Шортандинская 95 улучшенная практически во вариантах, в отличие от сорта Тюменская 25, где увеличение показателя наблюдалось только под влиянием АФГ (измерение на 5 сутки).
В завершение экспериментальной работы был проведен анализ структуры биомассы, позволяющий оценить потенциальную приспособленность растений к меняющимся условиям обитания.
В отечественных и зарубежных работах способность растений к перераспределению биомассы относят к важным ростовым адаптациям , , которая зависит от экспрессии определенного ряда генов, ответственных за контроль гормональной регуляции растительного организма . Отмечается, что высокая биомасса, накопленная на ранних этапах онтогенеза, связана с высоким уровнем метаболитической активности генотипа и высоким темпом синтеза органического вещества. Предположительно, у растений, имеющих такие генотипы, происходит хорошее усвоение питательных элементов при их низкой концентрации в субстрате . Это подтверждает результаты работ, в которых отмечается, что растения, имеющие развитую первичную корневую систему, лучше используют почвенные ресурсы .
![Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Тюменская 25»](/media/images/2023-03-07/525d8fd9-c78e-4f78-b889-84b4d109a106.png)
Рисунок 6 - Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Тюменская 25»
![Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Шортандинская 95»](/media/images/2023-03-07/2b604274-e6b7-4c38-816b-59404ea742b5.png)
Рисунок 7 - Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Шортандинская 95»
В нашем исследовании установлено, что у сорта Тюменская 25 доля побегов была выше доли корней, что может свидетельствовать о недостатке обеспечения эффективного поступления в растительный организм элементов питания через корни. Сорт Шортандинская 95 имел равное соотношение доли побега и корней, что может быть связано с благоприятными условиями местоположения для роста и развития данных растений и поступление элементов питания в необходимых количествах . Хорошо развитая корневая система в полевых условиях при недостатке влаги в почве может получить ее из более глубоких слоев и таким образом снизить влияние водного стресса.
4. Заключение
В моделируемых условиях лаборатории выявлена неоднозначная ответная реакция двух сортов яровой мягкой пшеницы (Тюменская 25 и Шортандинская 95 улучшенная) на предпосевную обработку семян биопрепаратами.
Стимулирующий эффект биопрепаратов на прорастание семян в вегетационных сосудах более ярко был выражен у сорта Шортандинская 95 улучшенная. Высота растений при промере на 5 сутки в опытных вариантах достоверно превышала контроль на 1,0-1,4 см. У сорта Тюменская 25 положительная реакция на обработку отмечена только под воздействием Бисолбисана.
Экспресс-диагностика растений в раннем онтогенезе по содержанию хлорофилла в листьях с помощью оптического счетчика SPAD 502 не выявила существенных различий у сорта Тюменская 25. У сорта Шортандинская 95 улучшенная активация ростовых процессов в начале вегетации (5 сутки) сопровождалась увеличением хлорофилла по сравнению с контролем во всех опытных вариантах.
На развитие длины первичной корневой системы благоприятное влияние оказывали препараты: Экстрасол (Тюменская 25), Альбит, Бисолбифит (Шортандинская 95 улучшенная). В структуре сырой биомассы растений сорта Шортандинская 95 улучшенная отмечено увеличение доли массы корней в большинстве вариантов до 40-60% (контроль 33%). Хорошо развитая первичная корневая система растений пшеницы может повысить устойчивость растений к неблагоприятным факторам окружающей среды в полевых условиях.