Способ оценки эффективности агроприёмов путём измерения стрессоустойчивости растений

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам оценки воздействия различных агроприемов при возделывании сельскохозяйственных культур путем измерения стрессоустойчивости растений.

В условиях засушливого Юго-Востока при неравномерном выпадении осадков и высокой температуре воздуха сельскохозяйственные культуры в Поволжье почти ежегодно испытывают стрессовые ситуации при формировании урожая.

Стресс (stress - напряжение) - реакция организма, возникающая под воздействием сильных раздражителей. Является ответом организма на раздражение со стороны окружающей среды (Селье Г. Стресс без дисстресса. - М.: Прогресс, 1979. - 154 с.).

Различные агроприемы способны снизить стрессовую ситуацию. Сюда можно отнести обработку почвы, внесение удобрений, опрыскивание посевов регуляторами роста, растворами микроэлементов и т.д.

Оценить эффективность агроприемов в снижении стрессовых ситуаций и повышении урожайности можно по определению количества свободных аминокислот в растениях. Чем интенсивнее стресс, тем больше образует растение в тканях некоторые аминокислоты (Кириллов А.Ф., Козьмик Р.А., Даскалюк А.П., Кузнецова Н.А., Харчук О.А. Оценка содержания пролина в растения сои при воздействии засухи и засоления. / А.Ф. Кириллов, Р.А. Козьмик, А.П. Даскалюк, Н.А. Кузнецова, О.А. Харчук // Доклады по экологическому почвоведению, 2013, выпуск 18, №1, с. 194-201). Применение различных приемов снижает стрессовую ситуацию, уменьшает концентрацию отдельных аминокислот, например пролина и глицина. Проводя анализ содержания аминокислот в растениях при различных агроприемах для конкретных почвенных и климатических условий, можно выбрать наиболее приемлемые мероприятия, которые в первую очередь снижают стресс растений и повышают урожайность в конкретных условиях.

Известен способ исследования содержания свободных аминокислот в растениях для оценки их засухоустойчивости по вычислению индексов устойчивости, которые выражаются отношением концентрации аминокислоты после стресса к исходной, в результате чего выделяется степень стрессоустойчивости (Заявка РФ на изобретение №2002128069 от 18.10.2002 г., опубл. 20.04.2004 г.).

К недостаткам способа следует отнести то, что при определении стресса от засухи не учитываются другие факторы, оказывающие стресс на растения. Таким образом, данную методику сложно увязать с технологией возделывания сельскохозяйственных культур.

Существует способ определения устойчивости растений к стресс-факторам путем определения замедленной флуоресценции (Способ определения устойчивости растений к стресс-факторам. Патент №2049385 от 29.03 1991, опубликовано 10.12.1995).

К недостаткам способа относится то, что определение замедленной флуоресценции необходимо проводить в одно и то же время суток в лабораторных условиях, что ограничивает использование его на образцах зеленой массы растений и семенах, взятых в полевых условиях.

Существует способ повышения устойчивости растений к высокотемпературным стрессам. В данном способе растения закаливают в термостате, а затем замачивают в 0,3% растворе пролина в течение 15 минут и проводят некорневую подкормку раствором пролина и сахарозы (Способ защиты растений от высокотемпературного стресса. Патент №2253223 от 11.02.2004, опубликовано 10.06.2005).

Существует способ повышения солеустойчивости растений путем замачивания семян в теплом 30-35°C 10-% водном растворе аминокислоты пролина в термостате в течение часа при температуре 30°C. Затем семена промывают в проточной холодной водопроводной воде и подсушивают на фильтровальной бумаге. Потом проращивают и проводят некорневую обработку взошедших растений. Обработку проводят раствором, приготовленным из расчета 15 г пролина, 10 г сахарозы на 100 мл воды. Обработку повторяют через 10-12 суток (Способ повышения солеустойчивости растений. Патент №2209537 от 01.10.2001, опубликовано 10.08.2003).

Недостатком этих двух способов является большая трудоемкость при применении в производственных условиях, так как при больших объемах посевного материала весь описанный процесс занимает много времени. Кроме того, применение пророщенных семян в условиях производства зерновых культур невозможно в связи с тем, что семена с проростками будут повреждаться в процессе транспортировки, загрузки в сеялку и посеве в почву.

Известны методы определения оценки агроприемов по плотности почвы, по агрохимическому анализу почвы, по засоренности и другим показателям (Доспехов Б.А., Васильев И.П., Туликов A.M. Практикум по земледелию. М.: Колос, 1977, 368 с.; Дурынина Е.П., Егоров В.С. Агрохимический анализ почв, растений, удобрений. М.: Изд-во МГУ, 1998. - 113 с.; Баздырев Г.И., Лошаков В.Г., Пупонин А.И. и др.; под ред. Пупонина А.И. Земледелие - М.: Колос, 2008. - 567 с.; Зубков Н.В., Зубкова В.М., Соловьев АВ. Разработка системы удобрения в севообороте. Учебное пособие. - М.: ФГОУ ВПО РГАЗУ, 2010. - 204 с.).

Однако перечисленные методы не всегда являются объективными и отличаются низкой оперативностью и высокой трудоемкостью, что существенно ограничивает их практическое использование.

Имеются сведения о положительной корреляции между обеспеченностью растений водой, которая влияет на все процессы в растительном организме, и накоплением в них аминокислоты пролина (Генкель П.А. Физиология растений. - М.: Просвещение, 1975. С. 158. Палфи Г., Бито М., Палфи Т. Свободный пролин и водный дефицит растительных тканей // Физиология растений, 1973. - т. 20. Вып. 2). Поэтому предлагается в неблагоприятных условиях, где растения почти всегда испытывают стресс от засухи, использовать степень накопления пролина для оценки обеспеченности растений водой, интенсивности внутренних процессов в растении и формировании урожая при различных агроприемах.

Технической задачей изобретения является увеличение урожайности сельскохозяйственных культур путем повышения эффективности и своевременности применения различных технологических агроприемов.

Техническим результатом является увеличение урожайности зерновых культур на 18,5-75,3% без значительного повышения затрат на обработку почвы, подкормку удобрениями, опрыскивание микроудобрениями.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что оценку воздействия различных агроприемов на продуктивность растений производят путем измерения их стрессоустойчивости с помощью определения свободного пролина в листьях или зерне до и после проведения агроприемов, с последующим вычислением антистрессового коэффициента, который выражается в отношении концентрации аминокислоты до применения агроприема к концентрации их после применения агроприема, при этом в качестве агроприемов используются или различные виды обработки почвы, или подкормка минеральными удобрениями, или опрыскивание микроудобрениями. Обработка почвы производится однократным или двукратным дискованием. В качестве минеральных удобрений используются азотные или фосфорные удобрения, а в качестве микроудобрений используются Микроэл или гумат калия.

На фигуре 1 представлена зависимость прибавки урожайности от содержания пролина в зеленой массе растений яровой пшеницы.

На фигуре 2 представлена зависимость прибавки урожайности от содержания пролина в зерне яровой пшеницы.

На фигуре 3 представлена зависимость прибавки урожайности яровой пшеницы от величины антистрессового коэффициента.

Для объективной оценки воздействия тех или иных агроприемов необходимо рассчитывать их антистрессовый коэффициент.

Антистрессовый коэффициент выражается в отношении концентрации аминокислоты до применения агроприема (во время стресса) к концентрации ее после применения агроприема. В результате чего можно определить степень антистрессового действия агроприема.

При снижении стрессовой ситуации содержание пролина снижается. Для описания направления и степени связи между показателями использовался коэффициент корреляции, который рассчитывался по формуле вычисления коэффициента корреляции Пирсона.

Где x_i - значения, принимаемые переменной X,

y_i - значения, принимаемые переменой Y,

- средняя по X,

- средняя по Y.

Коэффициент корреляции взаимосвязи урожайности и содержания пролина в зеленой массе растений имеет тесную обратную связь и составляет r=-0,86. Аналогичная зависимость наблюдается при анализе пролина в зерне яровой пшеницы, коэффициент корреляции составляет r=-0,88, то есть r - величина отрицательная. Это лишний раз подтверждает, что с увеличением пролина в растении прибавка урожая снижается, так как повышается стрессовое состояние растений в данных условиях.

Применение различных агроприемов, улучшающих условия развития яровой пшеницы, снижает содержание пролина, и как следствие, и степень воздействия стрессовой ситуации на растение. Чем раньше определяется содержание пролина в растении, тем больше возможности применения различных агроприемов для снижения стрессовой ситуации в процессе вегетации.

Наиболее эффективные агроприемы удобно выбирать с использованием антистрессового коэффициента. Коэффициент корреляции зависимости прибавки урожайности от антистрессового коэффициента показывает тесную прямую связь этих показателей, r=0,78, то есть r - величина положительная.

Способ является универсальным, так как может использоваться на различных культурах при различных почвенно-климатических условиях. В основе способа лежит определение степени накопления пролина в зерне пшеницы в процессе воздействия на растения различными агроприемами, которое выражается величиной антистрессового коэффициента, для чего проводят определение свободного пролина в листьях или зерне до и после проведения агроприемов.

Отличие заявляемого способа от предлагаемых аналогов заключается в определении эффективности различных агроприемов и их противострессового действия путем вычисления антистрессового коэффициента. Способ антистрессовой оценки агроприемов отличается оперативностью, рентабельностью и простотой в исполнении.

Заявленный способ можно легко применять в полевых условиях, так как антистрессовый коэффициент определяется в образцах зеленой массы растений и зерна, взятых с конкретной площади в процессе вегетации растений.

Способ позволяет находить в различных ситуациях приоритетные и целесообразные агроприемы. На конкретной почве с учетом ее плодородия и определенном фитосанитарном состоянии поля (вредители, болезни, сорняки, предшественник) расчет антистрессового коэффициента позволит провести оценку применяемых агроприемов и своевременно выводить данную культуру из стрессовых ситуаций.

Способ может быть использован также для оценки ранжировки применяемых агроприемов при возделывании сельскохозяйственных культур в засушливой зоне Поволжья.

Для определения влияния различных агроприемов на содержание свободного пролина в растениях необходимы стандартные опыты в конкретных почвенных условиях, где наряду с контролем (обычной технологией возделывания) закладываются варианты с использованием интересующих нас агроприемов (обработкой почвы, внесением удобрений, опрыскиванием стимуляторами роста и т.д.) с последующим определением пролина и других аминокислот в листьях или в зерне растений.

Определяют содержание пролина в зеленой массе и в зерне на анализаторе аминокислот по методике измерения массовой доли аминокислот методом капиллярного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза "капель" (Методика М-04-38-2009 с изменениями №1 от 01.02.2010. Свидетельство №223.104.10.150/2009 от 20.11.2009. ФР.1.31.2010.07015). Затем рассчитывают антистрессовый коэффициент и оценивают эффективность агроприемов.

В таблицах 1 и 2 представлены различные агроприемы, после применения которых снижается стрессовая ситуация, выражающаяся в снижении пролина. Степень снижения пролина показывает антистрессовый коэффициент. Чем выше антистрессовый коэффициент, тем меньше действие стрессовой ситуации и выше прибавка урожая от применения данного агроприема.

По величине антистрессового коэффициента разрабатывается система агроприемов, позволяющая снижать стрессовую ситуацию растений и максимально увеличивать урожайность в конкретных неблагоприятных условиях.

Как следует из таблиц 1, 2, увеличение урожайности зерна пшеницы при использовании различных агроприемов зависит от антистрессового коэффициента.

Нулевая обработка почвы создает стрессовую ситуацию для яровой пшеницы в силу изменения условий произрастания (снижение содержания азота в почве, повышение плотности почвы, увеличение засоренности посевов, уменьшение биологической активность почвы и т.д.). В силу повышения стресса содержание пролина в зерне яровой пшеницы на контрольном варианте было наибольшим и составляло 21,23 мг/л. Применение дополнительного рыхления почвы дисковой бороной способствовало снижению степени стрессовой ситуации. В результате чего содержание пролина снизилось, антистрессовый коэффициент повысился. Это увеличивало урожайность на 0,28-0,42 т/га или на 34,5-51,8%. Аналогично влияют на стрессовую ситуацию и урожайность другие агроприемы (таблица 1, таблица 2).

Анализ содержания пролина в растениях при различных условиях произрастания и расчет антистрессового коэффициента позволяют создать систему агроприемов, наиболее подходящую для определенной зоны с учетом ее почвенно-климатических условий. Это позволяет снизить затраты на проведение технологических операций и эффективно использовать удобрения и микроэлементы. Весь этот комплекс агротехнических приемов позволяет увеличить урожайность культур зерновых культур на 18,5-75,3%.