AN EVALUATION OF THE EFFECT OF BIOLOGICAL TREATMENT OF SPRING SOFT WHEAT SEEDS (Triticum aestivum L.) IN LABORATORY CONDITIONS

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

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

Одним из основных показателей, характеризующих биологические свойства семян, является их способность к прорастанию и укоренению проростков. Для понимания влияния биопрепаратов на всхожесть семян в вегетационных сосудах выполняли подсчет всходов на 3 и 10 сутки от начала эксперимента (рис. 1).

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.1

У сорта Тюменская 25 по всхожести семян не выявлено достоверных различий между контролем и опытными вариантами, как на 3, так и на 10 сутки.

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).

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.

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

Сопоставление данных по изученным сортам выявило различия по показателю абсолютной скорости роста побегов (рис. 2-3).

Рисунок 2 - Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Тюменская 25»

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.4

Рисунок 3 - Влияние биопрепаратов на относительную скорость роста побега растений сорта «Шортандинская 95»

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.5

При рассмотрении абсолютной скорости роста побегов сорта Тюменская 25 отмечены как стимулирующий, так и подавляющий эффекты биопрепаратов. Увеличение показателя в первые 4 дня по сравнению с Контролем (31 мм) установлено в вариантах с АФГ (34 мм), АФГ-В, Цитогуматом и Штаммами (33 мм), прирост составил 6,5-10,0%. После чего зафиксировано снижение ростовой активности под влиянием биопрепаратов на 3,5-36,0%, за исключением варианта с Альбитом, в котором суточный прирост составил 29 мм (контроль – 28 мм); минимальный эффект получен от применения АФГ (18 мм).

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.

Анализ данных промера на 5 сутки выявил статистически достоверное увеличение содержания хлорофилла в листьях сорта Шортандинская 95 улучшенная во всех опытных вариантах (рис. 4-5).

Рисунок 4 - Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Тюменская 25»

Примечание: * – различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.6

Рисунок 5 - Содержание хлорофилла в листьях растений сорта «Шортандинская 95»

Примечание: * – различия при сравнении с контролем достоверны на уровне P ≥ 0,05

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.7

Содержание пигмента в целом по опыту изменялось от 42,7 spad ed. (контроль) до 46,6 spad ed. (биопрепарат АФГ). На 7 сутки отмечено увеличение количества хлорофилла в опыте с АФГ-В (49,6 spad ed.) и Экстрасолом (47 spad ed.), остальные варианты находились на уровне контроля (45,3 spad ed.). На 10 сутки статистически доказанные различия отмечены в опытных вариантах с АФГ-В (42,5 spad ed.), Бисолбифитом (42,8 spad ed.) и Бисолбисаном (45,5 spad ed.) при контрольном значении в 40,6 spad ed.

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

В структуре биомассы растений сорта Тюменская 25 зафиксировано влияние биопрепаратов на массу побега и корней. В контроле надземная часть растений и корневой системы распределились в соотношении 70 и 30% соответственно. Действие биопрепаратов проявилось в увеличении доли корней до 32-35% в общей биомассе во всех опытных вариантах, кроме Цитогумата (рис. 6-7).

Рисунок 6 - Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Тюменская 25»

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.8

Рисунок 7 - Соотношение сырой биомассы в разных вариантах эксперимента сорта «Шортандинская 95»

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.67.9

Установлено, что у сорта Шадринская 95 улучшенная в контрольном варианте преобладали побеги, доля которых составляла 67% и соответственно корней – 33%. Обработка семян Альбитом привела к увеличению до 40%. Биопрепараты АФГ-В, Бисолбисан, Бисолбифит, Экстрасол, Цитогумин, Штаммы способствовали еще более активному развитию корневой системы, доля которой в общей структуре составила 50%. Одинаковая биомасса с контролем по соотношению надземной массы и корней (67 и 33% соответственно) сформировалась под действием АФГ.

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

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.